大型泵站叶片调节机构改进分析

缪 薇，徐 丹，王肇优，冷若瑶

（江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200）

大型泵站机组在全球各地工农业供水、防洪排涝、跨流域调水等工程中被广泛应用，由于其单机流量较大、配套功率高和运行工况复杂，加上其对安全性能和经济指标都有较高的要求，通过调节叶片角度可以提高单台水泵运行效率，所以调节叶片的方式极其重要，叶片调节技术通常在一定程度上被当作衡量一个国家大型水泵发展水平高低的重要标志之一。

叶片调节机构，顾名思义，就是用来调节水泵叶片角度的整套装置。我国在大中型水泵中通常采用的叶片角度调节装置分为全调节和半调节2种。其中，半调节是指调节时需要排空水流通道内的积水，打开叶轮室进行人工调节，一般在出厂时调节或检修停运时调节；全调节通过叶片调节机构进行，是真正意义上的实时调节，可在机组处于正常工作状态时根据运行需要对水泵叶片进行随时调节，从而大幅度提升水泵的运行效率[1]。全调节又分为液压式调节和机械式调节2 种，机械式调节机构设备体积较小、造价低，但调节力度有限，一般适用于2.0 m以下直径的水泵；液压式调节采用外供油压装置，结构比较复杂，检修维护繁琐，通常用于2.0 m 以上直径的水泵[2]。

1 传统的叶片调节机构存在的主要问题

通过水泵较长时间的运行研究发现，传统的叶片调节机构在运行中均存在一些难以避免的问题。

液压调节目前是被认为比较可靠的调节方式，但由于它采取外供油的方式，需要配备特定的油压系统，导致系统结构复杂、辅助设施较多、设备造价高、运行操作繁琐，而且维修难度大。当系统内的压力升高到一定数值时，活塞装置、受油器等可能有渗漏油的风险，这对提供饮用水的泵站隐患更大。

相对于液压调节，机械调节虽然采用了内置式设备，取消了外部设备，从上而下主要由针轮摆线减速机、推力轴承室、内轴、调节底座组成，但从运行状况看，出现的问题更多，工作可靠性更低。当运行过程中小轴受力不均匀时会撞击大轴，导致上水导轴承偏磨；易发生卡顿或者油箱温度升高的现象，造成轴承箱内轴承损坏；调节不够精准，实际调节的角度存在误差等。由于缺少有效的改善手段，机械调节故障频出，设备使用寿命不长，有的叶片调节机构短时间使用后就会失灵。

针对以上问题，本文介绍了一种新型内置式叶片角度调节器，该调节器结合了液压调节和机械调节的优点，克服了各自的弊病，采用了液压调节、内供油形式，可替代传统的液压调节和机械调节。目前，该调节机构已被广泛应用在全国各地的大中型泵站的更新改造中，表现效果良好，多年运行状态稳定，具备较高的安全可靠性。

2 新型内置式叶片角度调节器介绍

2.1 主要结构特点

内置式叶片角度调节器主要由液压站、油缸和支架三部分构成，与传统的液压调节机构相比，系统大为简化。

内置式叶片角度调节器采用内供油液压系统，主体被底盘固定在电机轴顶部，运行时调节器主体与主电机一同旋转，主体由连接底座、活塞和储油箱3 个部分组成，自下而上通过法兰进行连接，外面加上调节器保护外罩，结构如图1所示。

图1 内置式叶片角度调节器结构示意

通过优化集成，将微型无刷电机、液控单向阀、溢流阀等均放置在储油箱里面，压力油经过高压油管运输至活塞，活塞运动通过连接主轴的调节杆带动叶片转动，实现叶片角度调节。叶片正负角度调节不会出现抬轴现象，过程安全可靠。

内置式叶片角度调节器的控制箱安装在保护外罩的正面，共设置2 个稳压电源，一个用于电机调速，一个用于电磁换向阀和PLC。储油箱顶部装有角度传感器，可将调节的角度通过红外线的方式传递到保护外罩外部的显示器上，外罩顶部的激光传感器可以采集活塞运行时的移动数据并传输至PLC。

2.2 工作原理

内置式叶片角度调节器的转动机构类似于传统的液压调节机构的转动机构，活塞、操作架和耳柄之间的连接均采用刚性连接。

内置式叶片角度调节器的工作原理如图2所示，叶片的角度调节通过调节杆与叶片转动机构实现[3]。

图2 内置式叶片角度调节器的工作原理

当上位机发出的调正角度指示被集电环接收到后，高压微型液压站将通过集电环接通电源开始工作，高压油被运输至溢流阀，稳压后运至电磁换向阀的P 孔，同时A 孔通道开启，高压油经过下高压油管后到达油缸的下油腔，使得下油腔内的压力升高，直至推动活塞向上运行，从而带动调节杆上升，当调节杆上升时就会带动水泵叶片的拐臂机构，使其向正角度方向转动。

当上位机发出的调负角度指示被集电环接收到后，高压微型液压站将通过集电环接通电源开始工作，高压油被运输至溢流阀，稳压后运至电磁换向阀的P 孔，同时B 孔通道开启，高压油经过上高压油管后到达油缸的上油腔，使得上油腔内的压力升高，直至推动活塞向下运行，从而带动调节杆下降，当调节杆下降时就会带动水泵叶片的拐臂机构，使其向负角度方向转动。

因为叶片的枢轴设置在轮毂体内部，所以转臂和叶片只能转动而不能向上下移动，从而达成使叶片角度朝正角或者负角方向旋转的目的。

2.3 安装注意事项

内置式叶片角度调节器安装时，要注意以下问题。

（1）安装过程中要保证调节器主体的水平与垂直，以减小运行时的摆度。

（2）完成安装后，需手动全程调节一次，以验证安装是否符合要求。

（3）调节器外罩安装在电机上盖上，支撑着碳刷和传感器，保证碳刷与滑环一定接触良好。

（4）该调节器在出厂时已将调节器设定好上、下限保护，在使用过程中非必要不得随意更改智能表数据，以免造成系统错误。

2.4 操作、设置功能

内置式叶片角度调节器主要的操作、设置功能如下。

（1）控制箱对水泵叶片角度调节器可现地进行水泵叶片角度上调、下调、停止等动作，也可转换为上位机控制。控制箱面板上设有“远程/就地”转换开关，“远程”时“就地”限制操作，“就地”时“远程”操作禁止。

（2）系统触摸屏操作页面设置用户“运行参数设置”输入功能，可对水泵叶片角度上、下限进行控制，避免因操作过量损坏水泵部件；也可对叶片角度分度值进行设定，便于跟踪各种型号水泵叶片角度的不同分度值；还可对调节器液压站工作时间进行设定。

（3）系统水泵叶片运行角度设定是自动的，当运行人员手动调至所需运行角度时按停止键，系统可将调节的当前运行角度自动录入“已设角度”中（若要改变运行角度并将数据录入“已设角度”中，则上或下调节后必须按停止键有效）。

（4）系统具有自动跟踪“已设角度”功能，当“当前角度”显示低于“已设角度”时，系统能自动启动延时补给功能，使“当前角度”同“已设角度”相等时停止补给。如在规定时间内不能补回到“已设角度”时，说明液压系统有故障，需检查故障原因。延时补给的时间长短可在面板上设定。

2.5 优点分析

归纳起来，内置式叶片角度调节器具有以下特点。

（1）活塞上置、内供油。调节器采用内供油方式，不需配备专门的外供油设备，由于采取活塞上置的形式，机组运行时调节器本体和主电机转子同步旋转，避免了外部供油系统受油器轴承发热甚至损坏的风险。

（2）优化集成，结构简单。内置式调节器经过优化设计高度集成，整体结构不复杂、体积减小，重量较轻，具有较高的性价比。

（3）性能稳定，运行可靠。当机组运行但不需要调节叶片角度时，液压油系统处于休眠状态，保持固定的叶片角度，能耗低，从而降低了机械摩擦的时间和频率，避免调节器轴承发热、损坏，乃至发生机组抬轴事故，延长了调节器的使用寿命，保证其性能的稳定，此时单向液控阀控制住了上下油缸的压力油，避免系统漏油、污染环境。

（4）检修方便，利于维护管理。由于省去了外供油系统，所以大大降低了故障发生率，而且单机独立，发生故障不影响其他机组，大幅减少了检修工作量和维护成本。调节器连接了智能化控制系统，系统有自动跟踪功能，可远距离跟踪水泵叶片运行状态，提升了泵站运行管理效率和智能化水平，满足了泵站精细化管理需求。

3 新型内置式叶片角度调节器在国内的成功应用

湖南省常德市南碈泵站总装机4 000 kW，原配套5 台机组均为机械式叶片调节器，运行时会出现轴承温度升高，导致轴承损坏，使得机组难以正常工作。当将其更换为新型内置式叶片角度调节器后，经过长时间的运行，泵站机组并未出现以上故障，运行十分正常[4]。

江苏省常州市魏村泵站安装轴流水泵4 台，配套电机800 kW，原采用的也是机械式叶片全调节器，在运行过程中，故障频发，漏油问题和抬轴现象难以解决，安全隐患较大。为保障水泵机组的安全运行，首先将新型内置式叶片角度调节器改装到其中1 台机组上，经过3 个月汛期的试运行后测试，发现该台机组一切性能正常，随后将其余3 台机组也进行了改装调试，目前4 台机组均处于安全稳定运行状态[5]。

北京市密云水库调蓄工程含9座泵站，有7座涉及立式轴流泵、立式混流泵等泵型，均采用机械式叶片调节器。在这7 座泵站运行期间，发现泵站机械式叶片调节器故障频发，传感、限位、数据传输等不稳定，甚至出现抬轴甩油现象。为改善水泵机组运行条件，保证泵站机组能安全可靠的工作，避免发生事故，将兴寿泵站2#机组改造为新型内置式叶片角度调节机构，目前该机组已安全稳定运行，未出现以上问题[6]。

益阳市大东口电排管理站泵站总装机10 000 kW，共设4 台机组，设计扬程9.27 m，流量90 m³/s，水泵叶片采用的是老式的液压全调节机构，2003 年投入运行，运行过程中出现各种故障，故障点多且涉及面广，如调节器连杆折断、油箱甩油漏油等，而且油压装置一旦出现事故就导致4台机组全部无法正常工作，只能停机抢修。经过大量的考察调研，2003年将其中4#机组的叶片调节机构更新改造为新型内置式叶片角度调节机构，改造后经过多次汛期考验，调节机构运行正常稳定且维护简单，可实现自动控制[7]。

江都第四抽水站共安装7 台立式轴流泵，均采用液压式叶片全调节机构，在运行过程中，多次出现受油器浮动瓦发热、叶轮活塞漏油、受油器底座漏油、密封圈老化漏油等问题。江都第二抽水站共安装8台立式轴流泵，均采用机械式叶片全调节机构，角度调节不够精确不够灵活。为从根本上解决以上问题，江都第二抽水站、江都第四抽水站于2019—2023 年将其主机均改造为新型内置式叶片角度调节器，其运行效果良好，未出现漏油现象[3]。

4 结论

新型内置式叶片角度调节器作为水泵叶片角度调节的一项新技术，是针对国内全调节水泵叶片角度调节机构存在的种种问题研发的新产品。该调节器采用上置式内供油的形式，通过优化集成，具有体积小、重量轻、结构简单、性价比好、性能稳定、运行可靠、无污染等优点，优化了现有机械式调节器推力轴承的着力点，避免了叶片调节过程中发生“抬机”的现象，从根本上克服了传统油压调节器和机械调节器存在的弊病，解决了水泵叶片角度调节器存在的问题，很大程度上提高了叶片调节操作和主机运行的可靠性，在大型水泵机组中具有较高的应用推广价值。