大型泵站葉片調節(jié)機構改進分析

繆 薇，徐 丹，王肇優(yōu)，冷若瑤

（江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200）

大型泵站機組在全球各地工農業(yè)供水、防洪排澇、跨流域調水等工程中被廣泛應用，由于其單機流量較大、配套功率高和運行工況復雜，加上其對安全性能和經(jīng)濟指標都有較高的要求，通過調節(jié)葉片角度可以提高單臺水泵運行效率，所以調節(jié)葉片的方式極其重要，葉片調節(jié)技術通常在一定程度上被當作衡量一個國家大型水泵發(fā)展水平高低的重要標志之一。

葉片調節(jié)機構，顧名思義，就是用來調節(jié)水泵葉片角度的整套裝置。我國在大中型水泵中通常采用的葉片角度調節(jié)裝置分為全調節(jié)和半調節(jié)2種。其中，半調節(jié)是指調節(jié)時需要排空水流通道內的積水，打開葉輪室進行人工調節(jié)，一般在出廠時調節(jié)或檢修停運時調節(jié)；全調節(jié)通過葉片調節(jié)機構進行，是真正意義上的實時調節(jié)，可在機組處于正常工作狀態(tài)時根據(jù)運行需要對水泵葉片進行隨時調節(jié)，從而大幅度提升水泵的運行效率[1]。全調節(jié)又分為液壓式調節(jié)和機械式調節(jié)2 種，機械式調節(jié)機構設備體積較小、造價低，但調節(jié)力度有限，一般適用于2.0 m以下直徑的水泵；液壓式調節(jié)采用外供油壓裝置，結構比較復雜，檢修維護繁瑣，通常用于2.0 m 以上直徑的水泵[2]。

1 傳統(tǒng)的葉片調節(jié)機構存在的主要問題

通過水泵較長時間的運行研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的葉片調節(jié)機構在運行中均存在一些難以避免的問題。

液壓調節(jié)目前是被認為比較可靠的調節(jié)方式，但由于它采取外供油的方式，需要配備特定的油壓系統(tǒng)，導致系統(tǒng)結構復雜、輔助設施較多、設備造價高、運行操作繁瑣，而且維修難度大。當系統(tǒng)內的壓力升高到一定數(shù)值時，活塞裝置、受油器等可能有滲漏油的風險，這對提供飲用水的泵站隱患更大。

相對于液壓調節(jié)，機械調節(jié)雖然采用了內置式設備，取消了外部設備，從上而下主要由針輪擺線減速機、推力軸承室、內軸、調節(jié)底座組成，但從運行狀況看，出現(xiàn)的問題更多，工作可靠性更低。當運行過程中小軸受力不均勻時會撞擊大軸，導致上水導軸承偏磨；易發(fā)生卡頓或者油箱溫度升高的現(xiàn)象，造成軸承箱內軸承損壞；調節(jié)不夠精準，實際調節(jié)的角度存在誤差等。由于缺少有效的改善手段，機械調節(jié)故障頻出，設備使用壽命不長，有的葉片調節(jié)機構短時間使用后就會失靈。

針對以上問題，本文介紹了一種新型內置式葉片角度調節(jié)器，該調節(jié)器結合了液壓調節(jié)和機械調節(jié)的優(yōu)點，克服了各自的弊病，采用了液壓調節(jié)、內供油形式，可替代傳統(tǒng)的液壓調節(jié)和機械調節(jié)。目前，該調節(jié)機構已被廣泛應用在全國各地的大中型泵站的更新改造中，表現(xiàn)效果良好，多年運行狀態(tài)穩(wěn)定，具備較高的安全可靠性。

2 新型內置式葉片角度調節(jié)器介紹

2.1 主要結構特點

內置式葉片角度調節(jié)器主要由液壓站、油缸和支架三部分構成，與傳統(tǒng)的液壓調節(jié)機構相比，系統(tǒng)大為簡化。

內置式葉片角度調節(jié)器采用內供油液壓系統(tǒng)，主體被底盤固定在電機軸頂部，運行時調節(jié)器主體與主電機一同旋轉，主體由連接底座、活塞和儲油箱3 個部分組成，自下而上通過法蘭進行連接，外面加上調節(jié)器保護外罩，結構如圖1所示。

圖1 內置式葉片角度調節(jié)器結構示意

通過優(yōu)化集成，將微型無刷電機、液控單向閥、溢流閥等均放置在儲油箱里面，壓力油經(jīng)過高壓油管運輸至活塞，活塞運動通過連接主軸的調節(jié)桿帶動葉片轉動，實現(xiàn)葉片角度調節(jié)。葉片正負角度調節(jié)不會出現(xiàn)抬軸現(xiàn)象，過程安全可靠。

內置式葉片角度調節(jié)器的控制箱安裝在保護外罩的正面，共設置2 個穩(wěn)壓電源，一個用于電機調速，一個用于電磁換向閥和PLC。儲油箱頂部裝有角度傳感器，可將調節(jié)的角度通過紅外線的方式傳遞到保護外罩外部的顯示器上，外罩頂部的激光傳感器可以采集活塞運行時的移動數(shù)據(jù)并傳輸至PLC。

2.2 工作原理

內置式葉片角度調節(jié)器的轉動機構類似于傳統(tǒng)的液壓調節(jié)機構的轉動機構，活塞、操作架和耳柄之間的連接均采用剛性連接。

內置式葉片角度調節(jié)器的工作原理如圖2所示，葉片的角度調節(jié)通過調節(jié)桿與葉片轉動機構實現(xiàn)[3]。

圖2 內置式葉片角度調節(jié)器的工作原理

當上位機發(fā)出的調正角度指示被集電環(huán)接收到后，高壓微型液壓站將通過集電環(huán)接通電源開始工作，高壓油被運輸至溢流閥，穩(wěn)壓后運至電磁換向閥的P 孔，同時A 孔通道開啟，高壓油經(jīng)過下高壓油管后到達油缸的下油腔，使得下油腔內的壓力升高，直至推動活塞向上運行，從而帶動調節(jié)桿上升，當調節(jié)桿上升時就會帶動水泵葉片的拐臂機構，使其向正角度方向轉動。

當上位機發(fā)出的調負角度指示被集電環(huán)接收到后，高壓微型液壓站將通過集電環(huán)接通電源開始工作，高壓油被運輸至溢流閥，穩(wěn)壓后運至電磁換向閥的P 孔，同時B 孔通道開啟，高壓油經(jīng)過上高壓油管后到達油缸的上油腔，使得上油腔內的壓力升高，直至推動活塞向下運行，從而帶動調節(jié)桿下降，當調節(jié)桿下降時就會帶動水泵葉片的拐臂機構，使其向負角度方向轉動。

因為葉片的樞軸設置在輪轂體內部，所以轉臂和葉片只能轉動而不能向上下移動，從而達成使葉片角度朝正角或者負角方向旋轉的目的。

2.3 安裝注意事項

內置式葉片角度調節(jié)器安裝時，要注意以下問題。

（1）安裝過程中要保證調節(jié)器主體的水平與垂直，以減小運行時的擺度。

（2）完成安裝后，需手動全程調節(jié)一次，以驗證安裝是否符合要求。

（3）調節(jié)器外罩安裝在電機上蓋上，支撐著碳刷和傳感器，保證碳刷與滑環(huán)一定接觸良好。

（4）該調節(jié)器在出廠時已將調節(jié)器設定好上、下限保護，在使用過程中非必要不得隨意更改智能表數(shù)據(jù)，以免造成系統(tǒng)錯誤。

2.4 操作、設置功能

內置式葉片角度調節(jié)器主要的操作、設置功能如下。

（1）控制箱對水泵葉片角度調節(jié)器可現(xiàn)地進行水泵葉片角度上調、下調、停止等動作，也可轉換為上位機控制。控制箱面板上設有“遠程/就地”轉換開關，“遠程”時“就地”限制操作，“就地”時“遠程”操作禁止。

（2）系統(tǒng)觸摸屏操作頁面設置用戶“運行參數(shù)設置”輸入功能，可對水泵葉片角度上、下限進行控制，避免因操作過量損壞水泵部件；也可對葉片角度分度值進行設定，便于跟蹤各種型號水泵葉片角度的不同分度值；還可對調節(jié)器液壓站工作時間進行設定。

（3）系統(tǒng)水泵葉片運行角度設定是自動的，當運行人員手動調至所需運行角度時按停止鍵，系統(tǒng)可將調節(jié)的當前運行角度自動錄入“已設角度”中（若要改變運行角度并將數(shù)據(jù)錄入“已設角度”中，則上或下調節(jié)后必須按停止鍵有效）。

（4）系統(tǒng)具有自動跟蹤“已設角度”功能，當“當前角度”顯示低于“已設角度”時，系統(tǒng)能自動啟動延時補給功能，使“當前角度”同“已設角度”相等時停止補給。如在規(guī)定時間內不能補回到“已設角度”時，說明液壓系統(tǒng)有故障，需檢查故障原因。延時補給的時間長短可在面板上設定。

2.5 優(yōu)點分析

歸納起來，內置式葉片角度調節(jié)器具有以下特點。

（1）活塞上置、內供油。調節(jié)器采用內供油方式，不需配備專門的外供油設備，由于采取活塞上置的形式，機組運行時調節(jié)器本體和主電機轉子同步旋轉，避免了外部供油系統(tǒng)受油器軸承發(fā)熱甚至損壞的風險。

（2）優(yōu)化集成，結構簡單。內置式調節(jié)器經(jīng)過優(yōu)化設計高度集成，整體結構不復雜、體積減小，重量較輕，具有較高的性價比。

（3）性能穩(wěn)定，運行可靠。當機組運行但不需要調節(jié)葉片角度時，液壓油系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，保持固定的葉片角度，能耗低，從而降低了機械摩擦的時間和頻率，避免調節(jié)器軸承發(fā)熱、損壞，乃至發(fā)生機組抬軸事故，延長了調節(jié)器的使用壽命，保證其性能的穩(wěn)定，此時單向液控閥控制住了上下油缸的壓力油，避免系統(tǒng)漏油、污染環(huán)境。

（4）檢修方便，利于維護管理。由于省去了外供油系統(tǒng)，所以大大降低了故障發(fā)生率，而且單機獨立，發(fā)生故障不影響其他機組，大幅減少了檢修工作量和維護成本。調節(jié)器連接了智能化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)有自動跟蹤功能，可遠距離跟蹤水泵葉片運行狀態(tài)，提升了泵站運行管理效率和智能化水平，滿足了泵站精細化管理需求。

3 新型內置式葉片角度調節(jié)器在國內的成功應用

湖南省常德市南碈泵站總裝機4 000 kW，原配套5 臺機組均為機械式葉片調節(jié)器，運行時會出現(xiàn)軸承溫度升高，導致軸承損壞，使得機組難以正常工作。當將其更換為新型內置式葉片角度調節(jié)器后，經(jīng)過長時間的運行，泵站機組并未出現(xiàn)以上故障，運行十分正常[4]。

江蘇省常州市魏村泵站安裝軸流水泵4 臺，配套電機800 kW，原采用的也是機械式葉片全調節(jié)器，在運行過程中，故障頻發(fā)，漏油問題和抬軸現(xiàn)象難以解決，安全隱患較大。為保障水泵機組的安全運行，首先將新型內置式葉片角度調節(jié)器改裝到其中1 臺機組上，經(jīng)過3 個月汛期的試運行后測試，發(fā)現(xiàn)該臺機組一切性能正常，隨后將其余3 臺機組也進行了改裝調試，目前4 臺機組均處于安全穩(wěn)定運行狀態(tài)[5]。

北京市密云水庫調蓄工程含9座泵站，有7座涉及立式軸流泵、立式混流泵等泵型，均采用機械式葉片調節(jié)器。在這7 座泵站運行期間，發(fā)現(xiàn)泵站機械式葉片調節(jié)器故障頻發(fā)，傳感、限位、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔环€(wěn)定，甚至出現(xiàn)抬軸甩油現(xiàn)象。為改善水泵機組運行條件，保證泵站機組能安全可靠的工作，避免發(fā)生事故，將興壽泵站2#機組改造為新型內置式葉片角度調節(jié)機構，目前該機組已安全穩(wěn)定運行，未出現(xiàn)以上問題[6]。

益陽市大東口電排管理站泵站總裝機10 000 kW，共設4 臺機組，設計揚程9.27 m，流量90 m3/s，水泵葉片采用的是老式的液壓全調節(jié)機構，2003 年投入運行，運行過程中出現(xiàn)各種故障，故障點多且涉及面廣，如調節(jié)器連桿折斷、油箱甩油漏油等，而且油壓裝置一旦出現(xiàn)事故就導致4臺機組全部無法正常工作，只能停機搶修。經(jīng)過大量的考察調研，2003年將其中4#機組的葉片調節(jié)機構更新改造為新型內置式葉片角度調節(jié)機構，改造后經(jīng)過多次汛期考驗，調節(jié)機構運行正常穩(wěn)定且維護簡單，可實現(xiàn)自動控制[7]。

江都第四抽水站共安裝7 臺立式軸流泵，均采用液壓式葉片全調節(jié)機構，在運行過程中，多次出現(xiàn)受油器浮動瓦發(fā)熱、葉輪活塞漏油、受油器底座漏油、密封圈老化漏油等問題。江都第二抽水站共安裝8臺立式軸流泵，均采用機械式葉片全調節(jié)機構，角度調節(jié)不夠精確不夠靈活。為從根本上解決以上問題，江都第二抽水站、江都第四抽水站于2019—2023 年將其主機均改造為新型內置式葉片角度調節(jié)器，其運行效果良好，未出現(xiàn)漏油現(xiàn)象[3]。

4 結論

新型內置式葉片角度調節(jié)器作為水泵葉片角度調節(jié)的一項新技術，是針對國內全調節(jié)水泵葉片角度調節(jié)機構存在的種種問題研發(fā)的新產品。該調節(jié)器采用上置式內供油的形式，通過優(yōu)化集成，具有體積小、重量輕、結構簡單、性價比好、性能穩(wěn)定、運行可靠、無污染等優(yōu)點，優(yōu)化了現(xiàn)有機械式調節(jié)器推力軸承的著力點，避免了葉片調節(jié)過程中發(fā)生“抬機”的現(xiàn)象，從根本上克服了傳統(tǒng)油壓調節(jié)器和機械調節(jié)器存在的弊病，解決了水泵葉片角度調節(jié)器存在的問題，很大程度上提高了葉片調節(jié)操作和主機運行的可靠性，在大型水泵機組中具有較高的應用推廣價值。