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摘要：本文首先对水轮机导水机构的结构原理和作用进行简单介绍，了解灯泡贯流式机组导水机构应用的基本情况，重点分析水电厂水轮机导水机构存在问题，在此基础上深入研究水轮机导水机构结构优化，希望通过本文研究能够更加全面的掌握关于水轮机导水机的基本原理及存在的问题，同时也为后期更好的对灯泡贯流式机组导水机构进行优化提供参考。
关键词：水轮机；导水机；灯泡贯流式；结构优化
1引言
在水电厂水轮机的运行中，导水机构的主要作用就是对进入水轮机内的水流流量进行调节，直接关系到水轮机的运行效率。近年来随着我国经济社会的不断发展，水力发电产业规模不断扩大，水电厂运行与居民生产生活之间的联系愈加密切。但是水轮机导流机构在使用中存在一些问题，影响到水电厂的运行效率，不利于水电产业的发展。因此在现阶段加强对于水电厂水轮机导流机构优化的研究具有重要的现实意义，能够更加全面的掌握关于水轮机导水机的基本结构原理及具体作用，了解水轮机导流机构使用中存在的各种问题，针对存在的问题研究制定更加科学合理的优化方案，提高水轮机导水机的运行效率，保障水电厂的高效平稳运行，实现良好的經济社会效益。
2水轮机导水机的结构原理和作用
在水电厂的水轮机运行中常用的导水机构主要包括圆柱式、圆锥式和径向式三种。三种导水机构结构不同，运行原理也不同。圆柱式导水机构是国内应用比较普遍的一种导水机构，导水机构内部的导叶沿轴线布置在圆柱面内，采用连杆传动的结构设计操作部件，尤其适用于大中型水轮机。在运行过程中利用调速器对接力器进行控制，再经过铰接连杆组件逐渐传动到导叶臂上，进而对导叶开度进行控制，最终实现对于水轮机流量的控制，这种结构的导水机构运行使用都比较方便，效率也比较高。
圆锥式导水机构最大的特点就是水轮机的轴线与导叶轴线存在一定的锥角，制造使用相对复杂，一般情况下这种导水机在斜流式水轮机和灯泡贯流式水轮机中应用比较多。径向式导水机构中，机组轴线与导叶轴线垂直，一般会与全贯流式水轮机匹配使用。
3水电厂水轮机导水机构存在问题
水电厂水轮机的导水机构常用的双联臂主要有耳柄式、叉头导水和单双连臂导水三种结构形式。这些联臂在使用过程中存在诸多问题，其一是检查不便，剪断销一般都是安装在拐臂的位置，不能及时对其状态进行检查，容易出现剪断销断裂，螺栓保护失效的情况；其二是检修复杂，这种类型的联臂形式不容易调整导叶的间隙，出现问题不能有效修复调整；其三是联臂伸缩不可控，可能会出现较大的漏水量，影响到机组的运行效率，造成零部件的磨损；其四是不能保证检修质量，造成资源浪费。
以某水电站机组实际情况为例，导水机构常见的问题主要包括以下几种，一是导叶保护装置原设计采用弯曲连杆结构，实际运行过程中已多次出现弯曲连杆弯折变形的现象，每次都需要停机更换，严重影响效益。二是导叶键原设计采用方键结构，拆卸特别困难。三是导叶重锤关机试验无法动作、导叶无开度限位装置等，严重影响了机组的安全稳定运行。
4水轮机导水机构结构优化
导水机构是控制水轮发电机组正常运行和停止的执行机构，其工作是否正常是影响水轮发电机组安全稳定运行的重要保证。因我厂导水机构存在诸多的缺陷、安全隐患，严重影响设备的安全稳定运行。在结合国内、外灯泡贯流式机组导水机构安全设计理念，采用新工艺、新结构、新材料进行技术改造，消除设备安全隐患，提高设备的安全稳定性和安全健康水平。
某水电站位于云南省西部，属于梯级开发规划调整后的第12级电站。电站为单机单管引水方式，配电设备及自动监控设备安装在大坝配电房，各闸门为计算机自动控制，可由中控室实行监控。水库总库容2.32亿m3，相应库容2.12亿m3，调节库容1.2亿m3，为季调节水库。该水电站装机总容量180MW，单机容量90MW。厂房装设两台混流式水轮发电机组。首台机组于2008年8月并网发电，2号机组于2008年12月并网发电。在水电站运行中导水机构逐渐出现各种问题，这里就以该水电站的运行对灯泡贯流式水轮机导水机构的结构优化进行分析。
4.1导水机构弹簧连杆改造
经现场实地考察、研究，弹簧连杆的使用最大程度上解决了弯曲连杆弯曲后，当卡塞异物取出后，连杆无法自动恢复的问题。但全部使用弹簧连杆，造价昂贵，采用弹簧连杆与弯曲连杆间隔布置结构，该型式导叶保护装置既有弯曲连杆高可靠性的特点，又有弹簧连杆可自行复位，可重复使用的优点；既能提高机组安全运行的可靠性，又能降低改造成本（降低一半）。
弹簧连杆结构示意图如图2所示，两端连杆轴承与件5联接销有一个偏心量，正常工作时，连杆两端受到的作用力小于设定值，连杆不发生动作，弹簧连杆处于图示（a）状态。
当导叶间卡入异物时，连杆两端受到的作用力大于设定值，连杆克服件2弹簧拉力及摩擦阻力，在联接销处发生转动，成为图示（b）状态。当外力撤除后，弹簧连杆可依靠件2弹簧拉力复位。
拉伸式弹簧连杆设计的关键是须保证弹簧连杆实际动作时的作用力在一定的范围内。一般出厂前对每套弹簧连杆进行动作试验，保证动作时作用力在设计范围以内。
弹簧连杆改造，连杆长度与现有弯曲连杆相同，导叶及导叶接力器位置、开度、行程等保持不变。对现有导叶保护装置型式进行研究分析，确定采用弹簧连杆与弯曲连杆间隔布置结构，即：弯曲连杆（8只）+弹簧连杆（8只），目前确定导叶编号为单数位置采用拉伸式弹簧连杆结构，导叶编号为双数位置不变。考虑到弹簧连杆与导叶臂筋板有干涉，因此在安装时要采取适当工艺措施对导叶臂筋板进行切割打磨并保证质量要求。同时新安装的弹簧连杆轴承端盖需要增加一道密封，防止连杆轴承腔内润滑脂渗出。
4.2轴承座密封结构优化设计
密封结构不做优化设计，仍旧采用原有的一道O型密封与一道Y型密封的密封结构。但对密封和卡环材质做出改进，将O型密封材质由原来的普通橡胶改为优质氟橡胶材料，Y型密封材料由丁晴橡胶改为聚氨酯材料，以延长密封使用寿命，同时卡环改为不锈钢材料。
4.3拐臂与导叶轴颈连接紧固方式改进
我厂现用的导水机构的拐臂与轴之间的固定键由于受长期的转动挤压，因此在检修时很难将其拔出，最长耗时需要48小时，这使得导叶外轴承的检修工作耗时又耗力。依据目前国内其他灯泡贯流式机组成熟的技术和经验，将方形分半键改为圆锥销结构，连接可靠、方便拆装，并制作专用工具进行拔除。
4.4增设导叶限位装置
原导水机构未装设导叶开度限位装置，为防止导叶连杆折断导致导叶失控，发生严重设备事故，在每个导叶拐臂全开、全关位置焊接限位装置。限位装置应满足单片导叶失控后限制其不影响相邻导叶的正常动作。
5结语
通过本文分析可知，在水电厂运行中，水轮机导水机构的运行与水电厂的运行效益有密切的联系。水轮机导流机构的主要作用就是对水轮机的水量进行调节，进而控制水电机组的运行。在导水机构运行中会受到诸多因素的影响，出现不同类型的问题，本文提出的几项优化措施能够有效优化水电厂水轮机导水机构的结构，提升导水机构的运行效率。未来随着水电产业规模的不断扩大，水轮机导水机构的运行使用会更加普遍，运行要求也会更加严格，这就需要水电站工作人员根据水电机组运行的实际情况制定合理的导水方案，不断优化导水机构，保障水电厂的运行效率，实现良好的经济社会效益。
参考文献：
[1]薛兰英.水轮机导水机构设计的优化技术[J].科技创业家，2012，（21）：71.
[2]尹新善，张显锋，李然，等.水轮机导水机构设计的优化技术[J].中国水能及电气化，2009，（8）：39-46.
[3]梁维燕，尹新善.贯流式水轮机导水机构的最优化设计[J].大电机技术，2012，（4）：35-38.
[4]GAO Yun-tao，高云涛，ZHANG Jian-wei，et al.刘家峡水电厂水轮机导水机构部件磨蚀情况及修复措施[C].中国水力发电工程学会水力机械专业委员会信息网、全国水利水电机电技术信息网2012年会暨技术经验交流会.2012：205-207，211.
关键词：水轮机；导水机；灯泡贯流式；结构优化
1引言
在水电厂水轮机的运行中，导水机构的主要作用就是对进入水轮机内的水流流量进行调节，直接关系到水轮机的运行效率。近年来随着我国经济社会的不断发展，水力发电产业规模不断扩大，水电厂运行与居民生产生活之间的联系愈加密切。但是水轮机导流机构在使用中存在一些问题，影响到水电厂的运行效率，不利于水电产业的发展。因此在现阶段加强对于水电厂水轮机导流机构优化的研究具有重要的现实意义，能够更加全面的掌握关于水轮机导水机的基本结构原理及具体作用，了解水轮机导流机构使用中存在的各种问题，针对存在的问题研究制定更加科学合理的优化方案，提高水轮机导水机的运行效率，保障水电厂的高效平稳运行，实现良好的經济社会效益。
2水轮机导水机的结构原理和作用
在水电厂的水轮机运行中常用的导水机构主要包括圆柱式、圆锥式和径向式三种。三种导水机构结构不同，运行原理也不同。圆柱式导水机构是国内应用比较普遍的一种导水机构，导水机构内部的导叶沿轴线布置在圆柱面内，采用连杆传动的结构设计操作部件，尤其适用于大中型水轮机。在运行过程中利用调速器对接力器进行控制，再经过铰接连杆组件逐渐传动到导叶臂上，进而对导叶开度进行控制，最终实现对于水轮机流量的控制，这种结构的导水机构运行使用都比较方便，效率也比较高。
圆锥式导水机构最大的特点就是水轮机的轴线与导叶轴线存在一定的锥角，制造使用相对复杂，一般情况下这种导水机在斜流式水轮机和灯泡贯流式水轮机中应用比较多。径向式导水机构中，机组轴线与导叶轴线垂直，一般会与全贯流式水轮机匹配使用。
3水电厂水轮机导水机构存在问题
水电厂水轮机的导水机构常用的双联臂主要有耳柄式、叉头导水和单双连臂导水三种结构形式。这些联臂在使用过程中存在诸多问题，其一是检查不便，剪断销一般都是安装在拐臂的位置，不能及时对其状态进行检查，容易出现剪断销断裂，螺栓保护失效的情况；其二是检修复杂，这种类型的联臂形式不容易调整导叶的间隙，出现问题不能有效修复调整；其三是联臂伸缩不可控，可能会出现较大的漏水量，影响到机组的运行效率，造成零部件的磨损；其四是不能保证检修质量，造成资源浪费。
以某水电站机组实际情况为例，导水机构常见的问题主要包括以下几种，一是导叶保护装置原设计采用弯曲连杆结构，实际运行过程中已多次出现弯曲连杆弯折变形的现象，每次都需要停机更换，严重影响效益。二是导叶键原设计采用方键结构，拆卸特别困难。三是导叶重锤关机试验无法动作、导叶无开度限位装置等，严重影响了机组的安全稳定运行。
4水轮机导水机构结构优化
导水机构是控制水轮发电机组正常运行和停止的执行机构，其工作是否正常是影响水轮发电机组安全稳定运行的重要保证。因我厂导水机构存在诸多的缺陷、安全隐患，严重影响设备的安全稳定运行。在结合国内、外灯泡贯流式机组导水机构安全设计理念，采用新工艺、新结构、新材料进行技术改造，消除设备安全隐患，提高设备的安全稳定性和安全健康水平。
某水电站位于云南省西部，属于梯级开发规划调整后的第12级电站。电站为单机单管引水方式，配电设备及自动监控设备安装在大坝配电房，各闸门为计算机自动控制，可由中控室实行监控。水库总库容2.32亿m3，相应库容2.12亿m3，调节库容1.2亿m3，为季调节水库。该水电站装机总容量180MW，单机容量90MW。厂房装设两台混流式水轮发电机组。首台机组于2008年8月并网发电，2号机组于2008年12月并网发电。在水电站运行中导水机构逐渐出现各种问题，这里就以该水电站的运行对灯泡贯流式水轮机导水机构的结构优化进行分析。
4.1导水机构弹簧连杆改造
经现场实地考察、研究，弹簧连杆的使用最大程度上解决了弯曲连杆弯曲后，当卡塞异物取出后，连杆无法自动恢复的问题。但全部使用弹簧连杆，造价昂贵，采用弹簧连杆与弯曲连杆间隔布置结构，该型式导叶保护装置既有弯曲连杆高可靠性的特点，又有弹簧连杆可自行复位，可重复使用的优点；既能提高机组安全运行的可靠性，又能降低改造成本（降低一半）。
弹簧连杆结构示意图如图2所示，两端连杆轴承与件5联接销有一个偏心量，正常工作时，连杆两端受到的作用力小于设定值，连杆不发生动作，弹簧连杆处于图示（a）状态。
当导叶间卡入异物时，连杆两端受到的作用力大于设定值，连杆克服件2弹簧拉力及摩擦阻力，在联接销处发生转动，成为图示（b）状态。当外力撤除后，弹簧连杆可依靠件2弹簧拉力复位。
拉伸式弹簧连杆设计的关键是须保证弹簧连杆实际动作时的作用力在一定的范围内。一般出厂前对每套弹簧连杆进行动作试验，保证动作时作用力在设计范围以内。
弹簧连杆改造，连杆长度与现有弯曲连杆相同，导叶及导叶接力器位置、开度、行程等保持不变。对现有导叶保护装置型式进行研究分析，确定采用弹簧连杆与弯曲连杆间隔布置结构，即：弯曲连杆（8只）+弹簧连杆（8只），目前确定导叶编号为单数位置采用拉伸式弹簧连杆结构，导叶编号为双数位置不变。考虑到弹簧连杆与导叶臂筋板有干涉，因此在安装时要采取适当工艺措施对导叶臂筋板进行切割打磨并保证质量要求。同时新安装的弹簧连杆轴承端盖需要增加一道密封，防止连杆轴承腔内润滑脂渗出。
4.2轴承座密封结构优化设计
密封结构不做优化设计，仍旧采用原有的一道O型密封与一道Y型密封的密封结构。但对密封和卡环材质做出改进，将O型密封材质由原来的普通橡胶改为优质氟橡胶材料，Y型密封材料由丁晴橡胶改为聚氨酯材料，以延长密封使用寿命，同时卡环改为不锈钢材料。
4.3拐臂与导叶轴颈连接紧固方式改进
我厂现用的导水机构的拐臂与轴之间的固定键由于受长期的转动挤压，因此在检修时很难将其拔出，最长耗时需要48小时，这使得导叶外轴承的检修工作耗时又耗力。依据目前国内其他灯泡贯流式机组成熟的技术和经验，将方形分半键改为圆锥销结构，连接可靠、方便拆装，并制作专用工具进行拔除。
4.4增设导叶限位装置
原导水机构未装设导叶开度限位装置，为防止导叶连杆折断导致导叶失控，发生严重设备事故，在每个导叶拐臂全开、全关位置焊接限位装置。限位装置应满足单片导叶失控后限制其不影响相邻导叶的正常动作。
5结语
通过本文分析可知，在水电厂运行中，水轮机导水机构的运行与水电厂的运行效益有密切的联系。水轮机导流机构的主要作用就是对水轮机的水量进行调节，进而控制水电机组的运行。在导水机构运行中会受到诸多因素的影响，出现不同类型的问题，本文提出的几项优化措施能够有效优化水电厂水轮机导水机构的结构，提升导水机构的运行效率。未来随着水电产业规模的不断扩大，水轮机导水机构的运行使用会更加普遍，运行要求也会更加严格，这就需要水电站工作人员根据水电机组运行的实际情况制定合理的导水方案，不断优化导水机构，保障水电厂的运行效率，实现良好的经济社会效益。
参考文献：
[1]薛兰英.水轮机导水机构设计的优化技术[J].科技创业家，2012，（21）：71.
[2]尹新善，张显锋，李然，等.水轮机导水机构设计的优化技术[J].中国水能及电气化，2009，（8）：39-46.
[3]梁维燕，尹新善.贯流式水轮机导水机构的最优化设计[J].大电机技术，2012，（4）：35-38.
[4]GAO Yun-tao，高云涛，ZHANG Jian-wei，et al.刘家峡水电厂水轮机导水机构部件磨蚀情况及修复措施[C].中国水力发电工程学会水力机械专业委员会信息网、全国水利水电机电技术信息网2012年会暨技术经验交流会.2012：205-207，211.