大型泵站葉片調節機構改進分析

繆 薇，徐 丹，王肇優，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濟指標都有較高的要求，通過調節葉片角度可以提高單臺水泵運行效率，所以調節葉片的方式極其重要，葉片調節技術通常在一定程度上被當作衡量一個國家大型水泵發展水平高低的重要標志之一。

葉片調節機構，顧名思義，就是用來調節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裝置分為全調節和半調節2種。其中，半調節是指調節時需要排空水流通道內的積水，打開葉輪室進行人工調節，一般在出廠時調節或檢修停運時調節；全調節通過葉片調節機構進行，是真正意義上的實時調節，可在機組處于正常工作狀態時根據運行需要對水泵葉片進行隨時調節，從而大幅度提升水泵的運行效率[1]。全調節又分為液壓式調節和機械式調節2 種，機械式調節機構設備體積較小、造價低，但調節力度有限，一般適用于2.0 m以下直徑的水泵；液壓式調節采用外供油壓裝置，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 傳統的葉片調節機構存在的主要問題

通過水泵較長時間的運行研究發現，傳統的葉片調節機構在運行中均存在一些難以避免的問題。

液壓調節目前是被認為比較可靠的調節方式，但由于它采取外供油的方式，需要配備特定的油壓系統，導致系統結構復雜、輔助設施較多、設備造價高、運行操作繁瑣，而且維修難度大。當系統內的壓力升高到一定數值時，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，機械調節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、調節底座組成，但從運行狀況看，出現的問題更多，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；易發生卡頓或者油箱溫度升高的現象，造成軸承箱內軸承損壞；調節不夠精準，實際調節的角度存在誤差等。由于缺少有效的改善手段，機械調節故障頻出，設備使用壽命不長，有的葉片調節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器，該調節器結合了液壓調節和機械調節的優點，克服了各自的弊病，采用了液壓調節、內供油形式，可替代傳統的液壓調節和機械調節。目前，該調節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，表現效果良好，多年運行狀態穩定，具備較高的安全可靠性。

2 新型內置式葉片角度調節器介紹

2.1 主要結構特點

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

內置式葉片角度調節器采用內供油液壓系統，主體被底盤固定在電機軸頂部，運行時調節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，外面加上調節器保護外罩，結構如圖1所示。

圖1 內置式葉片角度調節器結構示意

通過優化集成，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，壓力油經過高壓油管運輸至活塞，活塞運動通過連接主軸的調節桿帶動葉片轉動，實現葉片角度調節。葉片正負角度調節不會出現抬軸現象，過程安全可靠。

內置式葉片角度調節器的控制箱安裝在保護外罩的正面，共設置2 個穩壓電源，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據并傳輸至PLC。

2.2 工作原理

內置式葉片角度調節器的轉動機構類似于傳統的液壓調節機構的轉動機構，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器的工作原理如圖2所示，葉片的角度調節通過調節桿與葉片轉動機構實現[3]。

圖2 內置式葉片角度調節器的工作原理

當上位機發出的調正角度指示被集電環接收到后，高壓微型液壓站將通過集電環接通電源開始工作，高壓油被運輸至溢流閥，穩壓后運至電磁換向閥的P 孔，同時A 孔通道開啟，高壓油經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，從而帶動調節桿上升，當調節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。

當上位機發出的調負角度指示被集電環接收到后，高壓微型液壓站將通過集電環接通電源開始工作，高壓油被運輸至溢流閥，穩壓后運至電磁換向閥的P 孔，同時B 孔通道開啟，高壓油經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，從而帶動調節桿下降，當調節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器安裝時，要注意以下問題。

（1）安裝過程中要保證調節器主體的水平與垂直，以減小運行時的擺度。

（2）完成安裝后，需手動全程調節一次，以驗證安裝是否符合要求。

（3）調節器外罩安裝在電機上蓋上，支撐著碳刷和傳感器，保證碳刷與滑環一定接觸良好。

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

2.4 操作、設置功能

內置式葉片角度調節器主要的操作、設置功能如下。

（1）控制箱對水泵葉片角度調節器可現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?？刂葡涿姘迳显O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）系統觸摸屏操作頁面設置用戶“運行參數設置”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；還可對調節器液壓站工作時間進行設定。

（3）系統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，系統可將調節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據錄入“已設角度”中，則上或下調節后必須按停止鍵有效）。

（4）系統具有自動跟蹤“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。如在規定時間內不能補回到“已設角度”時，說明液壓系統有故障，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 優點分析

歸納起來，內置式葉片角度調節器具有以下特點。

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

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

（3）性能穩定，運行可靠。當機組運行但不需要調節葉片角度時，液壓油系統處于休眠狀態，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，避免調節器軸承發熱、損壞，乃至發生機組抬軸事故，延長了調節器的使用壽命，保證其性能的穩定，此時單向液控閥控制住了上下油缸的壓力油，避免系統漏油、污染環境。

（4）檢修方便，利于維護管理。由于省去了外供油系統，所以大大降低了故障發生率，而且單機獨立，發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。調節器連接了智能化控制系統，系統有自動跟蹤功能，可遠距離跟蹤水泵葉片運行狀態，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器，運行時會出現軸承溫度升高，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器后，經過長時間的運行，泵站機組并未出現以上故障，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器，在運行過程中，故障頻發，漏油問題和抬軸現象難以解決，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器改裝到其中1 臺機組上，經過3 個月汛期的試運行后測試，發現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定運行狀態[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器。在這7 座泵站運行期間，發現泵站機械式葉片調節器故障頻發，傳感、限位、數據傳輸等不穩定，甚至出現抬軸甩油現象。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機構，目前該機組已安全穩定運行，未出現以上問題[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機構，2003 年投入運行，運行過程中出現各種故障，故障點多且涉及面廣，如調節器連桿折斷、油箱甩油漏油等，而且油壓裝置一旦出現事故就導致4臺機組全部無法正常工作，只能停機搶修。經過大量的考察調研，2003年將其中4#機組的葉片調節機構更新改造為新型內置式葉片角度調節機構，改造后經過多次汛期考驗，調節機構運行正常穩定且維護簡單，可實現自動控制[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機構，在運行過程中，多次出現受油器浮動瓦發熱、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機構，角度調節不夠精確不夠靈活。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器，其運行效果良好，未出現漏油現象[3]。

4 結論

新型內置式葉片角度調節器作為水泵葉片角度調節的一項新技術，是針對國內全調節水泵葉片角度調節機構存在的種種問題研發的新產品。該調節器采用上置式內供油的形式，通過優化集成，具有體積小、重量輕、結構簡單、性價比好、性能穩定、運行可靠、無污染等優點，優化了現有機械式調節器推力軸承的著力點，避免了葉片調節過程中發生“抬機”的現象，從根本上克服了傳統油壓調節器和機械調節器存在的弊病，解決了水泵葉片角度調節器存在的問題，很大程度上提高了葉片調節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。