CN114607547A - 一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法 - Google Patents

一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法 Download PDF

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Abstract

一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法，其特征在于：降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的以下两种方法：第一种方法，将滚动结构的点接触优化为线接触；所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠的接触方式由点接触优化为线接触；所述贯流式水轮机压环与所述钢珠的接触方式由点接触优化为线接触；所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠的接触方式由点接触优化为线接触；第二种方法，所述贯流式水轮机控制环与所述贯流式水轮机外配水环之间设置所述高分子复合材料滑块；所述贯流式水轮机压环与所述贯流式水轮机外配水环之间设置所述高分子复合材料滑块；所述高分子复合材料滑块采用自润结构。

Description

一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法
技术领域
本发明涉及贯流式水轮机的导水结构领域，具体为一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法。
背景技术
申请(专利)号：CN201110331955.1，公开的贯流式水轮机导水结构，包括导叶、内配水环、外配水环，所述内配水环上设置有导叶下轴，所述贯流式水轮机外配水环上设置有导叶套筒，所述导叶通过所述导叶下轴与所述导叶套筒安装在所述内配水环和所述贯流式水轮机外配水环之间，在所述导叶上安装有导叶臂，在所述导叶臂和控制环之间还设置有连板，所述连板一端通过连杆销和轴承与所述导叶臂连接，另一端通过连杆销和轴承与所述贯流式水轮机控制环连接，所述连板中间一侧设置有V型缺口，另一侧设置有报警装置；所述V型缺口的底部设置有防撕裂圆弧；所述报警装置包括安装在所述连板侧壁对应所述V型缺口位置的盖板和触发装置抵靠在所述盖板上的微动开关，所述盖板一端为固定端，另一端为自由端，所述微动开关的触发装置抵靠在所述自由端上；所述连杆销为偏心式连杆销。
申请(专利)号：CN201020557385.9，公开的一种灯泡贯流式水轮机外配水环和控制环之间的密封装置，外配水环端面分别带有内圈凹槽和外圈凹槽，控制环布置在外配水环上，控制环与外配水环间为钢球，压板压装在钢球上，成型橡胶条用粘接胶分别粘接在内圈凹槽和外圈凹槽中。本实用新型优点是：1)保证数百只钢球均浸在润滑油中；2)保证控制环运转灵活，不发卡；3)传统密封在被磨损后，无自补偿能力，因密封压紧量不足而引起润滑油泄露；本实用新型具有自补偿能力，即内圈和外圈的舌形密封条的“舌尖”均朝向钢球，控制环安装后对其有一定压力，使其被压紧、变形，使密封条的“舌尖”顶紧控制环。当机组运行后密封条被磨损，密封条的“舌尖”部分将在其弹力的作用下扔能顶紧控制环，起到自补偿作用；使用寿命长；4)结构简单，加工及安钻均方便。
贯流式水轮机的导水机构为锥形导水机构，主要由外配水环、内配水环、导叶、控制环、压环等部件构成。虽然控制环、外配水环、钢珠组成滚动轴承，具备摩擦系数小、转动灵活等特点，但是由于钢珠与控制环的滑动平面、外配水环的滑动平面的接触为点接触，控制环运动时，钢珠与滑动平面接触应力很大，甚至超过材料的屈服应力，导致滑动平面变形，挤压出坑点、过度磨损等现象；长期运行，则会导致控制环与外配水环错位、发卡；尤其是机组需要停机时，导水机构不能关闭，严重影响机组安全运行；过去针对控制环与外配水环滑动平面修复，主要是以堆焊磨损面，并重新车削V型槽，以恢复原尺寸，但是钢珠与控制环等滑动平面接触应力高这一事实也并未得到解决；为了解决以上问题，亟需提出一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法。
发明内容
本发明的目的在于降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间的应力，保护贯流式水轮机控制环的滑动面、压环的滑动面、外配水环的滑动面、钢珠的滚动面，提供一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法，其特征在于：降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的以下两种方法：
第一种方法，将滚动结构的点接触优化为线接触；所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠的接触方式由点接触优化为线接触；所述贯流式水轮机压环与所述钢珠的接触方式由点接触优化为线接触；所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠的接触方式由点接触优化为线接触；
第二种方法，所述贯流式水轮机控制环与所述贯流式水轮机外配水环之间设置所述高分子复合材料滑块，所述高分子复合材料滑块承担整体结构受力，减少所述钢珠的受力；所述贯流式水轮机压环与所述贯流式水轮机外配水环之间设置所述高分子复合材料滑块，所述高分子复合材料滑块承担整体结构受力，减少所述钢珠的受力；所述高分子复合材料滑块采用自润结构，降低摩擦系数；所述高分子复合材料滑块具有自润滑特性、承载能力高、摩擦系数小、耐磨损；设置所述位移传感器监控所述高分子复合材料滑块磨损量。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)、贯流式水轮机控制环、外配水环之间，将滚动结构的点接触优化为线接触，降低贯流式水轮机控制环滑动面内部的应力大小，降低贯流式水轮机压环滑动面内部的应力大小，降低贯流式水轮机外配水环滑动面内部的应力大小；(2)、贯流式水轮机控制环、外配水环之间，增加滑动结构，贯流式水轮机控制环与贯流式水轮机外配水环之间设置所述高分子复合材料滑块；贯流式水轮机压环与贯流式水轮机外配水环之间设置所述高分子复合材料滑块；(3)位移传感器监控高分子复合材料滑块磨损量。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法的由点接触优化为线接触降低应力的原理图。
图2是一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法的设置所述高分子复合材料滑块的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
结合图1，一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法的由点接触优化为线接触降低应力的原理图。
外配水环设置曲面滚道101，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的相互作用力为F1，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触面积S1为,所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触应力为F1应＝F1/S1,所述贯流式水轮机外配水环的屈服应力F外环，所述钢珠的屈服应力F钢珠；当F1应＞F外环，导致所述贯流式水轮机外配水环的滑动面变形，挤压出坑点、过度磨损等现象，当F1应＞F钢珠，导致所述钢珠的滚动面变形、过度磨损等现象。
当所述贯流式水轮机外配水环的滑动面是平面时，所述钢珠与所述贯流式水轮机外配水环的滑动面的接触是点接触，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触面积S1为最小值，当所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的相互作用力F1一定的情况下，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触应力F1应为最大值。
当所述贯流式水轮机外配水环的滑动面是圆弧曲面且与所述钢珠半径相等时，与所述贯流式水轮机外配水环的中心对称轴垂直的截面的滚道线是同心圆，保证所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的相对运动轨迹是同心圆，完全包含所述贯流式水轮机外配水环的中心对称轴的截面的滚道圆弧曲线的半径与所述钢珠的半径相等，所述贯流式水轮机外配水环的曲面滚道与所述钢珠是圆弧曲线方式接触，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触面积S1为最大值，当所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的相互作用力F1一定的情况下，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触应力F1应为最小值。
当所述贯流式水轮机外配水环的滑动面采用普通的曲面时，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触面积S1为最小值和最大值之间，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触应力F1应为最小值和最大值之间。
压环设置曲面滚道102，所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的相互作用力为F2，所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触面积S2为,所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触应力为F2应＝F2/S2,所述贯流式水轮机压环的屈服应力F压环，所述钢珠的屈服应力F钢珠；当F2应＞F压环，导致所述贯流式水轮机压环的滑动面变形，挤压出坑点、过度磨损等现象，当F2应＞F钢珠，导致所述钢珠的滚动面变形、过度磨损等现象。
当所述贯流式水轮机压环的滑动面是平面时，所述钢珠与所述贯流式水轮机压环的滑动面的接触是点接触，所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触面积S2为最小值，当所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的相互作用力F2一定的情况下，所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触应力F2应为最大值。
当所述贯流式水轮机压环的滑动面是圆弧曲面且与所述钢珠半径相等时，与所述贯流式水轮机压环的中心对称轴垂直的截面的滚道线是同心圆，保证所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的相对运动轨迹是同心圆，完全包含所述贯流式水轮机压环的中心对称轴的截面的滚道圆弧曲线的半径与所述钢珠的半径相等，所述贯流式水轮机压环的曲面滚道与所述钢珠是圆弧曲线方式接触，所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触面积S2为最大值，当所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的相互作用力F2一定的情况下，所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触应力F2应为最小值。
当所述贯流式水轮机压环的滑动面采用普通的曲面时，所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触面积S2为最小值和最大值之间，所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触应力F2应为最小值和最大值之间。
控制环设置曲面滚道103，所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的相互作用力为F3，所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触面积S3为,所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触应力为F3应＝F3/S3,所述贯流式水轮机控制环的屈服应力F控制环，所述钢珠的屈服应力F钢珠；当F3应＞F控制环，导致所述贯流式水轮机控制环的滑动面变形，挤压出坑点、过度磨损等现象，当F3应＞F钢珠，导致所述钢珠的滚动面变形、过度磨损等现象。
当所述贯流式水轮机控制环的滑动面是平面时，所述钢珠与所述贯流式水轮机控制环的滑动面的接触是点接触，所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触面积S3为最小值，当所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的相互作用力F3一定的情况下，所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触应力F3应为最大值。
当所述贯流式水轮机控制环的滑动面是圆弧曲面且与所述钢珠半径相等时，与所述贯流式水轮机控制环的中心对称轴垂直的截面的滚道线是同心圆，保证所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的相对运动轨迹是同心圆，完全包含所述贯流式水轮机控制环的中心对称轴的截面的滚道圆弧曲线的半径与所述钢珠的半径相等，所述贯流式水轮机控制环的曲面滚道与所述钢珠是圆弧曲线方式接触，所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触面积S3为最大值，当所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的相互作用力F3一定的情况下，所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触应力F3应为最小值。
当所述贯流式水轮机控制环的滑动面采用普通的曲面时，所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触面积S3为最小值和最大值之间，所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触应力F3应为最小值和最大值之间。
形成与钢珠适配的同心圆滚道104，所述贯流式水轮机外配水环、所述贯流式水轮机压环、所述贯流式水轮机控制环装配在一起形成所述同心圆滚道，所述同心圆滚道是所述贯流式水轮机外配水环、所述贯流式水轮机压环、所述贯流式水轮机控制环的中心对称轴垂直的截面的滚道线的集合，完全包含所述贯流式水轮机外配水环、所述贯流式水轮机压环、所述贯流式水轮机控制环的中心对称轴的截面的滚道圆弧曲线的半径与所述钢珠的半径相等，所述钢珠分别与所述贯流式水轮机外配水环的圆弧曲线、所述贯流式水轮机压环的圆弧曲线、所述贯流式水轮机控制环的圆弧曲线接触，所述钢珠与所述贯流式水轮机外配水环的圆弧曲线、所述贯流式水轮机压环的圆弧曲线、所述贯流式水轮机控制环的圆弧曲线的接触面积S为最大值，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触应力F1应、所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触应力F2应、所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触应力F3应为最优化的值；有利于保护所述贯流式水轮机外配水环、所述贯流式水轮机压环、所述贯流式水轮机控制环、所述钢珠。
由于所述贯流式水轮机控制环、所述贯流式水轮机压环、所述贯流式水轮机外配水环、所述钢珠之间的相对速度小于4-5m/s，采用润滑脂润滑。润滑脂润滑的优点是密封结构简单，润滑脂不易流失，受温度影响不大，加一次润滑脂可以使用较长的时间。
结合图2，是一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法的设置所述高分子复合材料滑块的流程图。
所述高分子复合材料滑块具有自润滑特性、承载能力高、摩擦系数小、耐磨损；高分子复合材料分为两大类：高分子结构复合材料和高分子功能复合材料。以前者为主，高分子结构复合材料包括两个组分：①增强剂。为具有高强度、高模量、耐温的纤维及织物，如玻璃纤维、氮化硅晶须、硼纤维及以上纤维的织物。②基体材料。主要是起粘合作用的胶粘剂，如不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等热固性树脂及苯乙烯、聚丙烯等热塑性树脂，这种复合材料的比强度和比模量比金属还高。高分子功能复合材料也是由树脂类基体材料和具有某种特殊功能的材料构成，如某些电导、半导、磁性、发光、压电等性质的材料，与粘合剂复合而成，使之具有新的功能。
设计高分子结构复合材料滑块201；根据所述贯流式水轮机控制环、所述贯流式水轮机压环的直径大小、重量、摩擦力矩、接触压强等因素，计算所述高分子结构复合材料滑块的接触面积以及分布数量和分布位置，设计出所述高分子结构复合材料滑块图纸及安装分布图尺寸图。
加工高分子结构复合材料滑块的安装位置202，用数控龙门铣床加工所述贯流式水轮机控制环、所述贯流式水轮机压环安装所述高分子结构复合材料滑块的位置。
安装高分子结构复合材料滑块203，所述贯流式水轮机控制环与所述贯流式水轮机外配水环之间安装所述高分子复合材料滑块；所述贯流式水轮机压环与所述贯流式水轮机外配水环之间安装所述高分子复合材料滑块。
在所述贯流式水轮机控制环、所述贯流式水轮机压环、所述贯流式水轮机外配水环、所述高分子复合材料滑块采用润滑脂润滑，由于所述贯流式水轮机控制环、所述贯流式水轮机压环、所述贯流式水轮机外配水环、所述高分子复合材料滑块之间的相对速度小于4-5m/s，采用润滑脂润滑。润滑脂润滑的优点是密封结构简单，润滑脂不易流失，受温度影响不大，加一次润滑脂可以使用较长的时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法，其特征在于：降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的以下两种方法：
第一种方法，将滚动结构的点接触优化为线接触；所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠的接触方式由点接触优化为线接触；所述贯流式水轮机压环与所述钢珠的接触方式由点接触优化为线接触；所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠的接触方式由点接触优化为线接触；
第二种方法，所述贯流式水轮机控制环与所述贯流式水轮机外配水环之间设置所述高分子复合材料滑块，所述高分子复合材料滑块承担整体结构受力，减少所述钢珠的受力；所述贯流式水轮机压环与所述贯流式水轮机外配水环之间设置所述高分子复合材料滑块，所述高分子复合材料滑块承担整体结构受力，减少所述钢珠的受力；所述高分子复合材料滑块采用自润结构，降低摩擦系数；所述高分子复合材料滑块具有自润滑特性、承载能力高、摩擦系数小、耐磨损；设置所述位移传感器监控所述高分子复合材料滑块磨损量。
2.根据权利要求1所述一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法，其特征在于:所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的相互作用力为F1，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触面积S1为,所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触应力为F1应＝F1/S1,所述贯流式水轮机外配水环的屈服应力F外环，所述钢珠的屈服应力F钢珠；当F1应＞F外环，导致所述贯流式水轮机外配水环的滑动面变形，挤压出坑点、过度磨损，当F1应＞F钢珠，导致所述钢珠的滚动面变形、过度磨损。
3.根据权利要求2所述一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法，其特征在于:当所述贯流式水轮机外配水环的滑动面是圆弧曲面且与所述钢珠半径相等时，与所述贯流式水轮机外配水环的中心对称轴垂直的截面的滚道线是同心圆，保证所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的相对运动轨迹是同心圆，完全包含所述贯流式水轮机外配水环的中心对称轴的截面的滚道圆弧曲线的半径与所述钢珠的半径相等，所述贯流式水轮机外配水环的曲面滚道与所述钢珠是圆弧曲线方式接触，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触面积S1为最大值，当所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的相互作用力F1一定的情况下，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触应力F1应为最小值。
4.根据权利要求1所述一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法，其特征在于:所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的相互作用力为F2，所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触面积S2为,所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触应力为F2应＝F2/S2,所述贯流式水轮机压环的屈服应力F压环，所述钢珠的屈服应力F钢珠；当F2应＞F压环，导致所述贯流式水轮机压环的滑动面变形，挤压出坑点、过度磨损，当F2应＞F钢珠，导致所述钢珠的滚动面变形、过度磨损。
5.根据权利要求4所述一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法，其特征在于:当所述贯流式水轮机压环的滑动面是圆弧曲面且与所述钢珠半径相等时，与所述贯流式水轮机压环的中心对称轴垂直的截面的滚道线是同心圆，保证所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的相对运动轨迹是同心圆，完全包含所述贯流式水轮机压环的中心对称轴的截面的滚道圆弧曲线的半径与所述钢珠的半径相等，所述贯流式水轮机压环的曲面滚道与所述钢珠是圆弧曲线方式接触，所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触面积S2为最大值，当所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的相互作用力F2一定的情况下，所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触应力F2应为最小值。
6.根据权利要求1所述一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法，其特征在于:所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的相互作用力为F3，所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触面积S3为,所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触应力为F3应＝F3/S3,所述贯流式水轮机控制环的屈服应力F控制环，所述钢珠的屈服应力F钢珠；当F3应＞F控制环，导致所述贯流式水轮机控制环的滑动面变形，挤压出坑点、过度磨损，当F3应＞F钢珠，导致所述钢珠的滚动面变形、过度磨损。
7.根据权利要求6所述一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法，其特征在于:当所述贯流式水轮机控制环的滑动面是圆弧曲面且与所述钢珠半径相等时，与所述贯流式水轮机控制环的中心对称轴垂直的截面的滚道线是同心圆，保证所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的相对运动轨迹是同心圆，完全包含所述贯流式水轮机控制环的中心对称轴的截面的滚道圆弧曲线的半径与所述钢珠的半径相等，所述贯流式水轮机控制环的曲面滚道与所述钢珠是圆弧曲线方式接触，所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触面积S3为最大值，当所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的相互作用力F3一定的情况下，所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触应力F3应为最小值。
8.根据权利要求1所述一种降低贯流式水轮机控制环、外配水环之间应力的方法，其特征在于:所述贯流式水轮机外配水环、所述贯流式水轮机压环、所述贯流式水轮机控制环装配在一起形成所述同心圆滚道，所述同心圆滚道是所述贯流式水轮机外配水环、所述贯流式水轮机压环、所述贯流式水轮机控制环的中心对称轴垂直的截面的滚道线的集合，完全包含所述贯流式水轮机外配水环、所述贯流式水轮机压环、所述贯流式水轮机控制环的中心对称轴的截面的滚道圆弧曲线的半径与所述钢珠的半径相等，所述钢珠分别与所述贯流式水轮机外配水环的圆弧曲线、所述贯流式水轮机压环的圆弧曲线、所述贯流式水轮机控制环的圆弧曲线接触，所述钢珠与所述贯流式水轮机外配水环的圆弧曲线、所述贯流式水轮机压环的圆弧曲线、所述贯流式水轮机控制环的圆弧曲线的接触面积S为最大值，所述贯流式水轮机外配水环与所述钢珠之间的接触应力F1应、所述贯流式水轮机压环与所述钢珠之间的接触应力F2应、所述贯流式水轮机控制环与所述钢珠之间的接触应力F3应为最优化的值。
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