中置式葉角調節(jié)機構在寶應泵站的應用

朱玉兵，魏強林，朱建軍，曹美萍

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200)

中置式葉角調節(jié)機構在寶應泵站的應用

朱玉兵，魏強林，朱建軍，曹美萍

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200)

葉片調節(jié)機構是大型水泵的重要組成部分，結構比較復雜，加工精度、安裝要求都比較高。介紹了幾種常用的葉片角度調節(jié)方式，列舉了中置式葉角調節(jié)機構在南水北調寶應泵站的應用，分析了中置式葉角調節(jié)機構的結構和特點，與其他調節(jié)機構相比較，中置式葉角調節(jié)機構具有諸多優(yōu)點，實踐證明了中置式葉角調節(jié)機構在寶應泵站的運行是成功的。

葉片調節(jié)方式；中置式；葉角調節(jié)機構；油壓裝置

1 工程概況

南水北調寶應泵站位于揚州市寶應縣范水鎮(zhèn)境內，作為南水北調東線一期工程的水源工程，其主要作用是與江都抽水站共同組成第一級抽水站，以滿足南水北調規(guī)劃確定的東線一期工程抽江水 500m3/s北送的要求，并可結合抽排里下河地區(qū)澇水[1]。泵站選用3500HDQ-7.6型立式導葉式液壓全調節(jié)混流泵，配TL-3400/48立式同步電動機4臺套，水泵葉輪球面直徑3500mm，設計揚程7.6m，單泵設計流量33.4m3/s，配套電機功率3400kW，總裝機容量13600kW。

2 常用葉片調節(jié)方式介紹

泵站調節(jié)水泵運行工況的方式有多種，根據葉片在葉輪上能否調節(jié)安裝角度，將其分為固定式、半調節(jié)式和全調節(jié)式三種[2]。固定式一般在小型水泵上應用，半調節(jié)式和全調節(jié)式一般在大型水泵上應用。所謂半調節(jié)方式就是根據水泵抽水時間內大部分運行時間的揚程，在運行前調整好葉片角度，使水泵在運行季節(jié)大部分時間可在高效區(qū)運行，簡言之就是水泵在運行時間內不可以調節(jié)葉片角度，必須事先根據所需要的揚程和流量，要在停機拆泵狀態(tài)下方可調節(jié)葉片角度。全調節(jié)方式就是水泵不但可以在停機不拆泵的狀態(tài)下調節(jié)葉片角度，也可以在不停機狀態(tài)下（運行中）調節(jié)葉片角度，以獲得水泵運行的最高效率。

3 水泵性能調節(jié)方式介紹

水泵性能的調節(jié)方式主要有：變角調節(jié)（改變葉片安裝角）、變速調節(jié)（改變水泵轉速）、變徑調節(jié)（改變葉輪直徑）、變閥調節(jié)（改變管路阻力）[3]。在目前國內的大型泵站中，尤其是泵型為軸流泵、混流泵的泵站多以變角全調節(jié)方式為主，而水泵葉片角度全調節(jié)又有停機全調節(jié)、運行中全調節(jié)之分。水泵葉片角度全調節(jié)方式主要是機械全調節(jié)和液壓全調節(jié)兩種類型。

（1）機械式全調節(jié)工作原理是由調節(jié)電機正、反向旋轉，經減速器產生扭矩，并通過分離器上的調節(jié)絲桿，將分離器做上、下軸向運動，經拉桿系統(tǒng)作用于葉片轉角機構，使葉片做正、負向轉動，達到調節(jié)葉片角度之目的。這種機構實質上是一種齒輪減速機構，利用齒輪傳動中速比與傳遞的扭矩成反比的關系，將調節(jié)電機的高速小扭矩轉換成低速傳動齒輪的大扭矩，以實現(xiàn)葉片調節(jié)所需要的調節(jié)力。

（2）液壓式全調節(jié)機構的工作原理是通常采用將壓力油通過裝于中空的電動機和泵軸內的油管，進入葉輪輪轂內的活塞上方或下方，使活塞上移或下移，帶動操作架上升或下降，再通過曲柄連桿機構帶動葉片沿葉片軸心線旋轉，從而改變葉片安裝角使葉片角度得到調節(jié)。

（3）根據設計原理和工程經驗，機械全調節(jié)和液壓全調節(jié)因特點不同，應用范圍也不同，機械全調節(jié)一般應用于水泵直徑小于 2500mm或配套功率2000kW以下的軸流泵及混流泵，調節(jié)力適中，具有投資節(jié)省、運行可靠、無污染等特點。但在直徑大于2500mm或配套功率大于2000kW時，運行效果并不理想，因而通常采用液壓全調節(jié)。液壓全調節(jié)具有調節(jié)力大、機械磨損件少及運行穩(wěn)定等特點，因此是大中型泵站水泵葉片角度調節(jié)方式的首選。

（4）水泵葉片角度調節(jié)采用液壓全調節(jié)方式后，水泵在運行中，可根據泵站上、下游水位的變化，隨時改變水泵葉片的安裝角度，使水泵在各種工況下保持在高效區(qū)穩(wěn)定運行，以提高泵站的經濟效益，或使電機經常滿載運行，充分發(fā)揮電機的能力，增加水泵流量。同時水泵開機時以小角度起動，可以降低起動轉矩，有利于機組牽入同步。而以大角度停機，又可降低有害的反轉力矩，縮短倒轉時間，提高機組的安全可靠性。

4 中置式葉角調節(jié)機構的結構及特點

寶應泵站水泵葉片角度調節(jié)機構主要由受油器、接力器、配壓閥、操作機構組成，受油器安裝在調節(jié)器底座架上，受油器結構見圖1。底座架用雙層膠木絕緣板與電機隔離，安裝在電機頂部。接力器為液壓活塞型，采用中置式結構（即安裝在電機軸和水泵軸連接法蘭之間）。壓力油通過配壓閥的分配，分別通入受油器中的內外油管，進入接力器活塞的上、下油腔，促使活塞上、下移動，帶動操作拉桿上、下移動，從而使葉片轉動，達到調節(jié)葉片角度的目的，葉片轉動調節(jié)機構見圖2。當葉片角度調到預定位置時，通過回復機構使配壓閥活塞恢復到中間平衡位置。配壓閥的壓力油分配，通過調節(jié)器上的調葉減速機構來實現(xiàn)。

配壓閥的壓力油來源于專門的油壓裝置。

圖1 受油器結構

圖2 葉片轉動調節(jié)機構

5 油壓裝置

在大型泵站中，油壓裝置是用來產生和供給葉片調節(jié)機構的壓力油設備。寶應泵站共裝配兩套油壓裝置，1＃油壓裝置為日本日立公司生產，供1#、2#主水泵調節(jié)機構用油；2＃油壓裝置為國內天津天驕公司生產，供3#、4#主水泵調節(jié)機構用油。

（1）日立公司的1＃油壓裝置所配蓄能器很小，靠油泵連續(xù)運行向泵站液壓系統(tǒng)供油。當葉片需要調節(jié)時，油泵直接供油給葉片調節(jié)系統(tǒng)；當葉片不需要調節(jié)時，油泵補充液壓系統(tǒng)漏油。由于油泵輸油量遠遠大于液壓系統(tǒng)的漏油量，大部分油液又通過閥組排回至油箱。蓄能器只起穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的作用。

（2）天驕公司的2＃油壓裝置所配蓄能器較大，首先由油泵向蓄能器打油，通過控制柜對油泵的控制，使蓄能器的油壓維持在一定的壓力范圍之內，葉片調節(jié)系統(tǒng)用油取自蓄能器，當葉片需要調節(jié)時，需要消耗一定的壓力油，當蓄能器的工作油壓降到工作壓力下限時，油泵啟動，給蓄能器補油，當油壓上升到工作油壓上限時，油泵停止，從而使蓄能器的油壓維持在一定范圍內。當葉片不調節(jié)時，蓄能器只補充液壓系統(tǒng)的漏油，油泵啟動時間短，停止時間長，從而實現(xiàn)油泵的斷續(xù)運行（實際在運行中由于液壓系統(tǒng)漏油比較多，因此2＃油壓裝置的油泵停止時間比較短，工作時間比較長，目前正在考慮改進）。天驕公司的油壓裝置在必要時也可以實現(xiàn)連續(xù)運行。

6 中置式葉片角度調節(jié)機構的優(yōu)點

傳統(tǒng)的泵站液壓調節(jié)機構是將調節(jié)機構的接力器（油缸，內部裝有活塞，活塞連帶拉桿傳動調節(jié)力）安裝在水泵的葉輪輪轂內部，再通過機械機構拉動葉片角度，使之可以調節(jié)，如南水北調江都站改造前的水泵，極易發(fā)生密封漏油造成水質污染，且在漏油后致使操作系統(tǒng)失靈導致葉片調節(jié)困難等缺點。

國外許多制造廠商如日本的日立（HITACHI）、西島(TONISHIMA)和荏原(EBARA)、德國的 VOITH 集團、奧地利的 ANDRITZ集團等更新了設計思路，采用了新技術對液壓機構進行改造，提出了環(huán)保型大型水泵液壓調節(jié)系統(tǒng)的概念，也就是中置式葉片角度調節(jié)機構，葉片操作機構采用與機械調節(jié)系統(tǒng)類似的拉桿系統(tǒng)，同時采用無油潤滑的葉片樞紐密封結構徹底解決了水泵旋轉部件在水體中的漏油問題，既保證系統(tǒng)可靠、又保證水質無污染，而且油壓根據調節(jié)力采用高等級油壓（最高壓力已達到10MPa）使得液壓調節(jié)機構緊湊，保證了運行可靠和維護方便。寶應站中置式葉片角度調節(jié)機構的優(yōu)點具體表現(xiàn)在：

（1）采用調節(jié)系統(tǒng)的活塞裝置安放在水泵軸與電機軸之間后，葉片樞軸采用無油潤滑的結構，能夠適應于不同類型的大型水泵。

（2）油壓接力器采用日立公司具有國內領先技術——中置式油壓結構，該結構安裝、維護方便，最大的特點是水泵葉輪和泵軸內沒有壓力油，使水泵從結構上徹底解決了傳統(tǒng)采用的下置式油壓結構因葉輪內壓力油泄漏而污染水質的問題，為南水北調工程提供符合環(huán)保要求的水泵。該技術在國內水泵技術中沒有先例，為國內首創(chuàng)。

（3）葉片調節(jié)機構受油器引進日立公司具有國內領先的成熟技術，其結構緊湊可靠、調節(jié)力大、調節(jié)平穩(wěn)可靠、控制精確，保證了水泵運行的可靠性。最大調節(jié)力達70t，為目前國內水泵調節(jié)力之最。

（4）葉輪內的葉片操作機構（球接頭）及葉片轉動軸承采用無油潤滑軸承，排除了葉輪內的潤滑油泄漏而污染水質的可能。球接頭及葉片轉動軸承的結構、材料和制造工藝在水泵技術中未有先例，為首創(chuàng)技術。

（5）葉片密封采用新型的“V”型密封技術，“V”型開口向外，在外部水壓的作用下，使“V”型開口張大，兩邊緊貼密封面，防止外部的水進入葉輪室內，起到良好的密封作用，而國內傳統(tǒng)的“λ”型密封主要是防止轉輪腔內的油泄漏，因此當葉輪內無油，外部水壓大于葉輪內部壓力時，“λ”型密封已不適用于該結構。“V”型密封解決了“λ”型密封封油不封水的問題，在國內大型全調泵技術中首次使用。

7 結束語

中置式葉角調節(jié)機構通過現(xiàn)代控制技術的優(yōu)化調度軟件實現(xiàn)了泵站及水泵的優(yōu)化控制，在國外大型水泵和水輪機的應用上取得了豐富的成功經驗，而在國內大型泵站和水電站建設中也非常少見。南水北調工程建成后，泵站年運行時間約在5000h左右，機組運行的可靠性、穩(wěn)定性和高效率極其重要，因此通過引進先進的調節(jié)技術和控制系統(tǒng)實現(xiàn)泵站的優(yōu)化運行，不僅具有顯著的經濟效益，而且通過該項技術的消化吸收，還可以提高國內大型水泵生產加工技術水平，促進國內的水泵加工技術與國際先進水平的同步。

通過寶應站建成之后的實際運行情況來看，該葉片角度調節(jié)機構運行穩(wěn)定、可靠，確保了寶應泵站運行的安全和高效，充分發(fā)揮了泵站的工程效益，為提高泵站設備生產質量提供了經驗，也為南水北調工程其他泵站的建設提供了較好的借鑒。

[1] 滕海波, 仇寶云, 湯正軍, 等．南水北調寶應泵站新技術的應用[J]. 排灌機械, 2007，（3）：21-26．

[2] 俆澤林. 泵站機電設備維修工與泵站運行工[M].鄭州：黃河水利出版社, 1995.

[3] 劉超. 泵站經濟運行[M]. 北京：中國水利電力出版社, 1995.

審稿人：吳新潤

Application of the Intermediate Blade Angle Ajusting Equipment in Baoying Pumping Station

ZHU Yu bing, WEI Qianglin, ZHU Jianjun, CAO Meiping(Jiangdu Water Conservancy Engineering Administration Division, Jiangdu 225200, China)

Blade angle adjusting equipment is an important part of a large pump. The structure is complex, the machining accuracy and the installation requirements are both high. Several common adjusting manners of blade angle were introduced in this paper. Application of the intermediate blade angle ajusting equipment in Baoying pumping station was listed. The structure and characteristics of the intermediate blade angle ajusting equiment were analysed. Compared with another adjusting equipment, the intermediate blade angle adjusting equipment has a lot of advantages. And practice has proved that application of the intermediate blade angle adjusting equipment in Baoying pump station was successful.

blade angle adjusting manner；intermediate；blade angle ajusting equipment；hydraulic device

TH313

B

1000-3983(2012)02-0046-03

2011-10-20

朱玉兵（1976-），1997年畢業(yè)于南京動力高等專科學校，主要從事泵站建設管理方面的研究，工程師。