水布垭水电站高扬程、大容量启闭机设计

摘要: 水布垭水利枢纽放空洞事故闸门启闭机最大扬程达159m，启门力达3200kN，在国内同类机型中扬程最高。结合该闸门启闭机的设计探讨了高扬程、大容量卷扬式启闭机的特点，如多层缠绕、折线绳槽卷筒、钢丝绳偏角等问题。该启闭机经试运行达到了设计要求。水布垭放空洞高扬程、大容量启闭机的工程运用实例，为将来在其它水电站上使用同类机型，提供了可借鉴的经验。

关 键 词: 高扬程;大容量;启闭机;设计;水布垭水利枢纽

中图分类号: TV664 文献标识码: A

　　水布垭水利枢纽工程位于湖北清江上游，是我国目前设计水头最高的混凝土面板堆石坝，为了保证大坝运行安全，设置了放空洞建筑物。放空洞事故闸门设计挡水水头152.0m，闸门启闭机最大扬程达159m，启门力3200kN，为国内同类机型中扬程最高的。以下就放空洞检修门启闭机的设计作简要介绍。

1 启闭机的组成与主要参数

　　该设备为多层缠绕固定卷扬式启闭机，整机由两套对称布置的起升机构、固定机架、电气控制3部分组成。起升机构由钢丝绳、卷筒装置、动滑轮组、定滑轮组、平衡滑轮及过载保护装置、行程限位装置、闭式减速器、电动机等组成，并在减速器的高速轴两端分别设置了工作制动器安全制动器，安全制动器延时上闸。两套起升机构的动滑轮组通过平衡梁与闸门的吊轴相联接，在两套起升机构中某一套的动滑轮组与另一套动滑轮组在高度差达最大时（由卷筒直径加工误差引起），平衡梁将发生小于4°的倾斜，但闸门与平衡梁相联的吊点为单吊点，闸门将始终保持垂直，不会卡阻在门槽内。

启闭机的主要参数:

额定启门力 3200kN

总起升高度/坝面以上 159/13.85m

起升速度 2.64m/min

减速器总传动比 200.3

水平中心距 1760mm

电机功率 2×110kW（S2.60min）

卷筒底直径 1650mm

钢丝绳直径 36mm

缠绕层数 3

制动器 YWZ-500/E201

行程开关 180HGE553SIROMAG

开度仪 AVM58N P+F

压力传感器 CC系列60t级SIEMENS

2 启闭的设计特点

2.1 起升机构布置

　　在起升机构的布置上，比较了两个方案:①采用一套双联卷筒的起升机构，滑轮组轴线与卷筒轴线平行布置，经计算，当滑轮组倍率m=8时，钢丝绳直径d=46mm，卷筒直径D=2.4m，要完成159m的总扬程，需要4层缠绕;②采用两套双联卷筒的起升机构，滑轮组轴线与卷筒轴线垂直布置，当滑轮组倍率m=6时，计算得出钢丝绳直径d=36mm，卷筒直径D=1.65m，3层缠绕可满足159.0m扬程。

　　上述两个方案的起升机构均为多层缠绕，设计时均要满足钢丝绳的返绳偏角的要求，方案1扬程高、容量大的矛盾较明显。方案2由于两套起升机构平均分担了总容量，钢绳的直径较小，布置上对偏角控制较方案1容易做到，缠绕层数仅需3层，且返绳垫环的加工难度较4层缠绕小，进一步计算表明方案2返绳偏角在卷筒两端可控制在1.5°内，这是多层缠绕卷扬机设计的关键点，如果一套起升机构采用3层缠绕，将返绳偏角控制在1.5°有困难，为了满足返绳偏角要求，卷筒直径要加大，减速器出轴扭矩随之增大（或增加开式齿轮，整机结构尺寸随之增大），而且对土建的基础荷载不对称，土建设计增加工程量。两方案比较后，确定采用了方案2。

　　但方案2存在两套起升机构的驱动电机转速上必有差别的问题，解决的方法是将一根钢丝绳通过平衡滑轮分别绕在两个卷筒上（这两个卷筒分别由各自电机驱动）。当电机转速不同时，钢丝绳通过平衡滑轮自动调整两侧的长度（平衡滑轮两侧的钢丝绳分别缠绕到不同电机驱动的卷筒上），当一套起升机构同轴线上的两卷筒直径相同时，两套起升机构的吊点将在高度上始终保持一致，从设计上解决了电动机转速差对吊点高度的影响。

　　方案2的另一个优点是当一台电机故障，另一台单独工作仍能启闭闸门（但速度减半），提高了闸门事故工作的可靠性。该布置方案较好地解决了扬程高，容量大的矛盾，使整机结构尺寸合理，传给土建的基础荷载对称，利于土建排架的结构设计，并降低了单个零部件的尺寸和重量。减小了加工难度，也给运输和现场安装提供了条件。

2.2 钢丝绳偏角的控制

　　在多层缠绕的卷扬式启闭机设计中，钢丝绳相对卷筒轴线横截面的角度称为“钢丝绳偏角”。它在钢丝绳绕入卷筒的过程中是变化的，在卷筒两端，钢丝绳的缠绕从低层向高层过渡时的偏角，称为“返绳偏角”，是多层缠绕设计中主要控制参数，《水利水电工程启闭机设计规范》建议该角度不大于2.0°。

　　该角度大小实际上反映了钢丝绳受载时水平分力的大小、水平分力过大，在返绳时会发生“跳槽”现象（钢丝绳返绳偏角控制的目的是希望钢丝绳在返回时按设计整齐排列，每转一圈，钢丝绳沿卷筒轴线方向前进一个节距，绳间不挤压、不跳槽，钢丝绳在卷筒上整齐排列）。若在第2层发生跳槽，由于第3层钢丝绳是将第2层作为绳槽使用的，第3层必然乱绳，这种现象在设计上是不允许的。一般认为较理想的钢丝绳返回偏角应控制在0.5°～1.5°之间，本设计通过合理的布置将钢丝绳在卷筒两端返绳偏角控制在1.5°以内，其中第1层过渡到第2层返绳偏角为θ1 =1.435°，第2层向第3层钢丝绳过渡的返绳偏角θ2 =1.394°，并控制第3层钢丝绳的极限偏角（当扬程达到上极限位，钢丝绳对卷筒轴横剖面的偏角）θ3 =1.5°;由于钢丝绳每根长度2050m，在受载后有约1‰的弹性伸长，当弹性伸长部分绕入卷筒上后，偏角θ3 接近2.0°，但仍在规范允许范围内。现场联门调试中观察到，钢丝绳从第1层到第2层（第2层到第3层）过渡时，返绳平顺，钢丝绳排列整齐，无跳槽;在最终到达上极限位时在θ3 接近2°时，相邻圈钢丝绳相互挤压现象较明显，但未发生叠绕，说明本设计对钢丝绳的返绳偏角控制是合理的。

2.3 折线绳槽卷筒

　　平行线槽折线型卷筒的特点是绳槽在卷筒的每一周范围内均由直线绳槽和斜线绳槽组成，且每一圈的直线绳槽和斜线绳槽位置完全相同。钢丝绳在进行多层缠绕时，通过斜线绳槽来固定上层钢丝绳与下层钢丝绳交叉过渡点的位置，使上层钢丝绳的交叉在斜线段完成。在直线绳槽段，上层钢丝绳完全落入两根下层钢丝绳形成的凹槽内，绳间形成线接触，使上下层钢丝绳之间的接触稳定。在返绳时，配合卷筒两端带有返回凸缘的阶梯挡环，引导钢丝绳顺利爬升并返回，避免钢丝绳由于相互切入挤压而造成的乱绳。因此，平行线槽折线型卷筒再配合带有返回凸缘的阶梯挡环，能较好地使钢丝绳排列整齐并且及平稳地过渡到上一层，是实现多层缠绕，提高卷扬式启闭机扬程的有效方法之一。

2.3.1 折线卷筒结构

　　折线卷筒结构形式有双折线绳槽卷筒和单折线绳槽卷筒两种，水布垭放空洞进水口事故闸门卷扬启闭机卷筒结构形式为双折线绳槽卷筒，卷筒绳槽底径为1650mm。两斜线绳槽对应圆周角各为52°，两直线绳槽对应圆周角各为128°，斜线绳槽段相间对称布置。斜线绳槽升角为1.355°，有文献建议，为使钢丝绳从直线绳槽段顺利地进入斜线槽段，斜线绳槽升角在1°～1.5°。在本启闭机实际调试运行中，钢丝绳从直径绳槽段进入斜线绳槽段时是比较顺利的，斜线段钢丝绳排列整齐、无相互挤压。对于多层缠绕，卷筒绳槽的节距应略小于标准绳槽的节距，水布垭放空洞进水事故闸门卷扬启闭机钢丝绳直径36mm，卷筒绳槽节距为38mm，节距绳径比为1.056。

　　双折线绳槽卷筒的特点是斜线绳槽段与直线绳槽段相间对称布置，每一周绳槽通过两段斜线槽沿轴向绕进一个节距，即每一段斜线槽前进半个节距，这种对称布置有利于卷筒加工，但也存在不足，就是从第2层开始，钢丝绳通过交段过渡后的直线绳槽段内会形成一个宽度为半个绳径的空档，这个空档会对第3层及以上层的钢丝绳有所影响，第3层及以上层的钢丝绳有可能会落入此空档，使钢丝绳产生一定的挤压、磨损。但在实际运行中，由于高扬程卷扬式启闭机额定荷载一般只在孔口以下的一小段行程内，而孔口以上的大部分行程段的荷载为闸门自重，所以，只要保证额定荷载段钢丝绳缠绕在卷筒的第1层上，双折线绳槽卷筒的这个不足就不会影响到启闭机的实际运行。

2.3.2 阶梯挡环

　　阶梯挡环的作用是使钢丝绳从下层平稳地过渡到上一层，并使钢丝绳顺利返回，即对起钢丝绳起抬升和返绳导向作用。对于双折线绳槽卷筒，配套的阶梯挡环由3段组成，第1段与卷筒第1个斜绳槽段对应，沿轴向宽度由一个绳槽宽度逐渐变为半个绳槽宽度，沿径向的厚度由0逐渐增加为一个钢丝绳层高，其作用是当钢丝绳绕至此时，挡环将它抬高至上一层钢丝绳的高度;第2段与卷筒直绳槽段对应，其宽度为半个绳槽宽，厚度一个层高，是一个等厚等宽的环面，其作用是使被抬高后的钢丝绳落在由挡环段和邻近的下一层钢丝绳所共同形成的沟槽内;第3段与卷筒第2个斜绳槽段对应，其宽度由半个绳槽宽逐渐变为0，厚度均为一个钢丝绳层高，其作用是使钢丝绳返回，钢丝绳在返绳挡环垫和钢丝绳水平拉力和共同作用下与下层钢丝绳交叉，并跨半个节距过渡到相邻的下一层钢丝绳形成的直线沟槽内，从而完成钢丝绳层与层之间的过渡。

2.4 行程限位、过载保护装置

　　本启闭机在起升机构上各安装了一套行程限位