乌江泵站叶片角度调节器应用分析与改进

项双树

（安徽省驷马山引江工程管理处，安徽 马鞍山238251）

1 引言

驷马山灌区属大（1）型灌区，灌区以提引长江水为主，1969 年12 月动工兴建，规划为五级提水，总扬程46.5 m，装机32 台，总容量7.85 万kW，设计灌溉面积365.4 万亩，涉及皖苏2 省4 市10 个县（市、区）。乌江泵站为驷马山灌区渠首工程，从长江干流提水，1969 年动工，1973 年8 月首台机组投入运行。设计装机10 台，单机容量1 600 kW、单机流量22.5 m3/s。由于长江水位一年四季变化较大，采用了叶片角度全调节式轴流泵。伴随着机组的更新改造和技术水平的发展，其叶片角度调节机构经历了多次技术改造，从固定式液压调节机构、固定式机械调节机构和旋转式液压调节机构的不断更新改进。

2 固定式液压调节器

乌江泵站其大型全调节轴流泵的叶片调节机构最初采用的是固定式油压调节机构，包含上、下两部分，下部分在叶轮室内，在外力作用下驱动叶片转动的连杆、摇臂等连接机构；采用外供油式液压调节装置调节叶片角度，其叶轮室内的下调节机构系统除安装1 套叶片、摇臂及连杆、连杆座等连接机构外，还安装有1 套液压工作室（含活塞和油缸）；上调节机构系统中一部分装置设置在主电动机外罩壳顶端（主电动机轴和主水泵轴均为空心轴），它包括差动配油系统、供油管路系统和机械（带指针）显示系统。另一部分装置（辅助设备）布置在电机层专用辅助设备机房和其它几个较偏僻的地方，它包括1 套加气增压系统和1 套外供油系统。加汽增压系统包括1 台打气泵、1个储气罐和1 套供气管路系统；外供油系统包括1 个储油罐和1 套供油管路系统。我们把这种调节机构装置称为“固定式液压调节器”，如图1 所示。

图1 固定式液压调节机构示意图

这种固定式液压调节装置的主要优点是调节力大，运行较平稳，主要不足是：

（1）上调节机构系统复杂、庞大，不便于维护检修。

（2）需要供气、供油的辅助设备，运行维护工作量大，运行成本高。

（3）供气、供油管路接头多，长期运行密封件磨损，很容易漏气、漏油，造成叶片无法调节，特别是转轮室内一旦漏油，还易污染水体。只有停止机组运行，解体水泵后才可检修，检修时间长，难度大。

3 固定式机械调节器

针对上述问题，2000 年乌江泵站结合机组更新改造，首次对叶片调节机构进行了全面改进，改进后的上调节机构设置在主电动机外罩壳顶端，主电机轴和主水泵轴均为空心轴，空心轴内设1 根拉（推）杆，简称调节杆。下调节机构的拉杆座与调节杆下端相连；上调节机构的传动轴与调节杆上端连接，传动轴作上、下移动，从而带动水泵叶片转动。这种调节型式在全调节机组结构布局上有了新的突破，我们把这种上调节机构装置称为“固定式机械调节器”。图2 所示：它主要由小电动机、减速箱、拉杆头、分离器、分离器座、调制座、调节器座等组成。它的优点是：调节型式布局合理；调节叶片灵活；无压力油，消除了“跑、冒、滴、漏”现象，不污染水体。相对于固定式液压调节器结构简单，造价和运行成本相对也较低。

图2 固定式机械调节器结构简图

这种“固定式机械调节器”的主要不足是：

（1）主体做无用功的时间长。水泵不调节叶片角度时，本来不需要调节器工作，但这种布局型式的调节器在主电动机及主水泵转动时，调节器传动座内的平面轴承及传动轴必须长期跟随主电动机轴高速转动而做无用功。

（2）平面轴承极易损坏，但又无可取代。为方便调节器带负荷操作，调节器的传动轴必须与水泵叶片调节杆连接，因而传动轴既要随主电动机轴高速转动，又要上、下移动推、拉水泵叶片调节杆，这就必须有1 个或多个平面轴既承担起传动轴的径向定位作用（将传动轴固定在与水泵叶片调节杆同心的中心位置），又承担起支撑水泵叶片轴向调节力的作用，因而它极易发热和磨损，但却又无可取代。乌江泵站6 号机组曾因温度过高不能运行。

（3）水泵抬轴加重平面轴承损坏。调节器自重荷载由主电机外壳承担，水泵开机抬轴时泵轴向上的冲击力既容易损坏电动机座总承（推力轴承）或主电动机镜板，又容易损坏调节器平面轴承。

（4）甩油现象突出。因主水泵、主电动机工作时，调节器传动轴及平面轴承需要随主电机轴高速转动，故平面轴承和传动轴会长期处于高温状态下运行，容易造成润滑油液化甚至汽化，导致调节器甩油现象突出。

（5）未实现远距离显示和远距离控制。

4 内置旋转式液压调节器

2013 年，乌江泵站进行技术改造，根据几十年的运行和实际情况重新选定了泵型，其叶片调节机构采用了一种内供油式液压调节器，如图3 所示：它由旋转体（包括安装座、支撑座、油缸、油箱、活塞、活塞杆、活塞顶端延伸杆、小电动机、油泵、电磁换向阀、液控单向阀）、外罩壳（即固定体、包括供电滑环、位移传感器等）和控制显示等三部分组成。它将调节器主体（旋转体）置于主电动机轴顶端，与主轴同步旋转，主电动机轴和水泵轴均为空心轴，调节杆及下部调节机构仍利用原机构。

我们把这种上调节机构装置称为“旋转式液压调节器”。它与“固定式液压调节器”和“固定式机械调节器”相比，有如下优点：

（1）采用上置式、内供油的调节结构布局，调节器主体随主电动机轴旋转，水泵上调节机构装置设计有了全新的设计理念。很好地解决了调节器主体旋转与固定结合的难题。

图3 内置式液压调节器结构

（2）调节器主体随主电动机轴同步旋转，改变了以往“固定式机械调节器”推力轴承的着力点，变“固定式机械调节器”的外力调节为本调节器的内力调节，从根本上消除了调节器轴承发热、烧损和水泵抬轴的影响。

（3）调节器主体与主电动机轴及叶片调节杆在任何时候都处于相对静止状态，叶片角度不改变时，调节器不工作，因而调节器的工作时间只有主电机及主水泵工作时间的1/1000～1/3000。

（4）调节器通过其设置的位移传感器和数字显示仪表，可以远距离显示泵叶片角度变化情况，进而可远距离控制和调节泵叶片角度。

（5）体积小、重量轻、结构简单。

（6）检修方便，便于维护管理。

旋转式液压调节器经过几年的运行仍有以下问题：

（1）“垮角度”，即叶片角度锁定性能较差。“垮角度”的原因是液压缸内的液压油“泄漏”造成的。该型调节器有3 个泄漏点：①活塞壁与油缸壁之间的内泄；②活塞杆穿过油缸壁处的外泄及阀组之间的联接头的外泄；③活塞顶端供传感器探测位移的延伸杆穿过油缸壁处的外泄。液压油泄漏，就会改变活塞在油缸中的位置，从而造成“垮角度”的现象发生。

（2）“甩油”。一是因调节器的小电机、油泵、电磁换向阀、单向液控阀等都安装固定在上油箱底部，故随主电机高速旋转的油箱内的小电机进线孔因电线胶套与油和密封材料之间很容易发生化学反应、产生孔隙而导致油箱甩油；二是油缸中活塞杆穿过油缸壁处的外泄和活塞顶端供传感器探测位移的延伸杆穿过油缸壁处的外泄两个甩油点。

（3）容易烧损供电滑环。因供电滑环采用的是开敞式滑环，碳刷（安装在罩壳内壁上）与滑环（安装在旋转体上）之间容易因堆积灰尘产生电弧而烧损滑环；而且长时间运行，碳刷在滑环接触面上划起划痕，更容易产生电弧而造成滑环烧损。

（4）位移传感器易损。由于位移传感器安装在处于静止状态的调节器外壳上，而探测的物体（活塞顶端的延伸杆上）又随主电机高速旋转，导致传感器触头长期磨损，运行时间稍长就需更换传感器探测杆。

5 旋转式液压调节器的技术升级改造

针对存在的问题，在不改变原调节器总体结构的情况下进行处理，原有的支撑座、油缸、活塞、活塞杆、外罩保持不变，增加三相四线动力电源线、以太网远程控制线、故障反馈电缆等，如图4 所示。

图4 改进后的旋转式液压调节器

它由旋转体部分（包括油箱盖2、油箱3、集成式液压动力单元4、油缸5、活塞6、活塞杆7、支撑座8、外罩壳9 等），固定体部分（包括供电滑环1、位移传感器等）和控制、显示箱（包括常闭行程开关、空气开关、单向接触器、转换开关、数字显示仪表等）三大部分组成，调节原理同上。

1）针对“垮角度”问题：采用新式的液压动力单元。新式液压动力单元摒弃了原有的三位四通电磁阀、液压锁、负载平衡阀等多个阀组，采用高度集成的插装阀阀组，结构简单，响应灵敏，故障率大大降低。活塞及活塞杆的密封圈采用进囗件。改变位移传感器探测位置，将其安装固定在调节器旋转体上，使其与调节器同步旋转，减少1 个泄漏点。

2）甩油问题：半开放式油箱总成改为全密封式油箱总成。原调节器油箱总成在设计时有诸多缺点导致设备运行时漏油严重而且维修困难。全密封式油箱总成能彻底解决油箱总成漏油的问题。

3）位移传感器易损问题。利用激光位移传感器取代滑动式位移传感器。滑动式位移传感器长时间磨损后会出现角度跳动、接触不良等现象，而激光位移传感器与测量物体不存在接触，也就不存在磨损的问题，角度测量更为稳定可靠；角度传感仪的测量点安装在活塞杆与拉杆套之间，角度传感器则安装在油缸之上。

4）容易烧损供电滑环问题。原外径100 mm 的过孔式供电滑环改为外径56 mm 的转子法兰供电滑环。改变供电滑环的外径尺寸降低滑环的线速度，从而降低滑环的磨损速度，增加供电滑环的使用寿命。供电滑环安装固定在顶板上，其转动部分（转子）随顶板与旋转体做同步旋转，转子上的电源输出端与液压动力单元电源输入端连接;非转动部分（定子）与顶板带圆环的一端用螺栓紧固连接，定子电源输入端与调节机构上罩壳内壁边上的电源插头相连接;供电滑环除向液压动力单元供电外，还向角度传感仪供电，同时帮助角度传感仪将角度变化信号传输至控制显示系统。

5）增加机械限位装置。保证调节器出现故障不能操作时，也能保证水泵叶片固定在某一角度运行，且调节器可拆下来检修。

6）数字显示控制箱改为触摸屏操控、PLC 控制的控制箱。改进后的控制箱具有美观、操作更为便捷、能与上位机实现远程操作、远程显示、远程监测等功能。

6 结束语

通过上述改进后的调节器，长时间运行平稳，其结构简单、运行可靠、调节精准、维护方便。对于叶片角度全调节的泵站而言，实现叶片角度智能调节是泵站运行中值得认真研究的深层次管理问题，也是一个值得研究和探讨的较为复杂的技术问题。下一步将运用实测的机组性能数据，建立数学模型对软件进行升级，对叶片角度实行智能化调节，使全调节泵始终保持在高效率区间运行。真正做到无“极”调节，实现泵站智能化，达到泵站精细化管理需求。