中置式葉角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在寶應(yīng)泵站的應(yīng)用

朱玉兵，魏強(qiáng)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在寶應(yīng)泵站的應(yīng)用

朱玉兵，魏強(qiáng)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是大型水泵的重要組成部分，結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(diào)節(jié)方式，列舉了中置式葉角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在南水北調(diào)寶應(yīng)泵站的應(yīng)用，分析了中置式葉角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，與其他調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相比較，中置式葉角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，實(shí)踐證明了中置式葉角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在寶應(yīng)泵站的運(yùn)行是成功的。

葉片調(diào)節(jié)方式；中置式；葉角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；油壓裝置

1 工程概況

南水北調(diào)寶應(yīng)泵站位于揚(yáng)州市寶應(yīng)縣范水鎮(zhèn)境內(nèi)，作為南水北調(diào)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(jí)抽水站，以滿足南水北調(diào)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(jié)合抽排里下河地區(qū)澇水[1]。泵站選用3500HDQ-7.6型立式導(dǎo)葉式液壓全調(diào)節(jié)混流泵，配TL-3400/48立式同步電動(dòng)機(jī)4臺(tái)套，水泵葉輪球面直徑3500mm，設(shè)計(jì)揚(yáng)程7.6m，單泵設(shè)計(jì)流量33.4m3/s，配套電機(jī)功率3400kW，總裝機(jī)容量13600kW。

2 常用葉片調(diào)節(jié)方式介紹

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

3 水泵性能調(diào)節(jié)方式介紹

水泵性能的調(diào)節(jié)方式主要有：變角調(diào)節(jié)（改變?nèi)~片安裝角）、變速調(diào)節(jié)（改變水泵轉(zhuǎn)速）、變徑調(diào)節(jié)（改變?nèi)~輪直徑）、變閥調(diào)節(jié)（改變管路阻力）[3]。在目前國內(nèi)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(diào)節(jié)方式為主，而水泵葉片角度全調(diào)節(jié)又有停機(jī)全調(diào)節(jié)、運(yùn)行中全調(diào)節(jié)之分。水泵葉片角度全調(diào)節(jié)方式主要是機(jī)械全調(diào)節(jié)和液壓全調(diào)節(jié)兩種類型。

（1）機(jī)械式全調(diào)節(jié)工作原理是由調(diào)節(jié)電機(jī)正、反向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)減速器產(chǎn)生扭矩，并通過分離器上的調(diào)節(jié)絲桿，將分離器做上、下軸向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)拉桿系統(tǒng)作用于葉片轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)，使葉片做正、負(fù)向轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)葉片角度之目的。這種機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一種齒輪減速機(jī)構(gòu)，利用齒輪傳動(dòng)中速比與傳遞的扭矩成反比的關(guān)系，將調(diào)節(jié)電機(jī)的高速小扭矩轉(zhuǎn)換成低速傳動(dòng)齒輪的大扭矩，以實(shí)現(xiàn)葉片調(diào)節(jié)所需要的調(diào)節(jié)力。

（2）液壓式全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作原理是通常采用將壓力油通過裝于中空的電動(dòng)機(jī)和泵軸內(nèi)的油管，進(jìn)入葉輪輪轂內(nèi)的活塞上方或下方，使活塞上移或下移，帶動(dòng)操作架上升或下降，再通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)葉片沿葉片軸心線旋轉(zhuǎn)，從而改變?nèi)~片安裝角使葉片角度得到調(diào)節(jié)。

（3）根據(jù)設(shè)計(jì)原理和工程經(jīng)驗(yàn)，機(jī)械全調(diào)節(jié)和液壓全調(diào)節(jié)因特點(diǎn)不同，應(yīng)用范圍也不同，機(jī)械全調(diào)節(jié)一般應(yīng)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(diào)節(jié)力適中，具有投資節(jié)省、運(yùn)行可靠、無污染等特點(diǎn)。但在直徑大于2500mm或配套功率大于2000kW時(shí)，運(yùn)行效果并不理想，因而通常采用液壓全調(diào)節(jié)。液壓全調(diào)節(jié)具有調(diào)節(jié)力大、機(jī)械磨損件少及運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此是大中型泵站水泵葉片角度調(diào)節(jié)方式的首選。

（4）水泵葉片角度調(diào)節(jié)采用液壓全調(diào)節(jié)方式后，水泵在運(yùn)行中，可根據(jù)泵站上、下游水位的變化，隨時(shí)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(yùn)行，以提高泵站的經(jīng)濟(jì)效益，或使電機(jī)經(jīng)常滿載運(yùn)行，充分發(fā)揮電機(jī)的能力，增加水泵流量。同時(shí)水泵開機(jī)時(shí)以小角度起動(dòng)，可以降低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有利于機(jī)組牽入同步。而以大角度停機(jī)，又可降低有害的反轉(zhuǎn)力矩，縮短倒轉(zhuǎn)時(shí)間，提高機(jī)組的安全可靠性。

4 中置式葉角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

寶應(yīng)泵站水泵葉片角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由受油器、接力器、配壓閥、操作機(jī)構(gòu)組成，受油器安裝在調(diào)節(jié)器底座架上，受油器結(jié)構(gòu)見圖1。底座架用雙層膠木絕緣板與電機(jī)隔離，安裝在電機(jī)頂部。接力器為液壓活塞型，采用中置式結(jié)構(gòu)（即安裝在電機(jī)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(nèi)外油管，進(jìn)入接力器活塞的上、下油腔，促使活塞上、下移動(dòng)，帶動(dòng)操作拉桿上、下移動(dòng)，從而使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)葉片角度的目的，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)見圖2。當(dāng)葉片角度調(diào)到預(yù)定位置時(shí)，通過回復(fù)機(jī)構(gòu)使配壓閥活塞恢復(fù)到中間平衡位置。配壓閥的壓力油分配，通過調(diào)節(jié)器上的調(diào)葉減速機(jī)構(gòu)來實(shí)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(jié)構(gòu)

圖2 葉片轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

5 油壓裝置

在大型泵站中，油壓裝置是用來產(chǎn)生和供給葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的壓力油設(shè)備。寶應(yīng)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(chǎn)，供1#、2#主水泵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用油；2＃油壓裝置為國內(nèi)天津天驕公司生產(chǎn)，供3#、4#主水泵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)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(yùn)行向泵站液壓系統(tǒng)供油。當(dāng)葉片需要調(diào)節(jié)時(shí)，油泵直接供油給葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)；當(dāng)葉片不需要調(diào)節(jié)時(shí)，油泵補(bǔ)充液壓系統(tǒng)漏油。由于油泵輸油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)油泵的控制，使蓄能器的油壓維持在一定的壓力范圍之內(nèi)，葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)用油取自蓄能器，當(dāng)葉片需要調(diào)節(jié)時(shí)，需要消耗一定的壓力油，當(dāng)蓄能器的工作油壓降到工作壓力下限時(shí)，油泵啟動(dòng)，給蓄能器補(bǔ)油，當(dāng)油壓上升到工作油壓上限時(shí)，油泵停止，從而使蓄能器的油壓維持在一定范圍內(nèi)。當(dāng)葉片不調(diào)節(jié)時(shí)，蓄能器只補(bǔ)充液壓系統(tǒng)的漏油，油泵啟動(dòng)時(shí)間短，停止時(shí)間長，從而實(shí)現(xiàn)油泵的斷續(xù)運(yùn)行（實(shí)際在運(yùn)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(shí)間比較短，工作時(shí)間比較長，目前正在考慮改進(jìn)）。天驕公司的油壓裝置在必要時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。

6 中置式葉片角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的泵站液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的接力器（油缸，內(nèi)部裝有活塞，活塞連帶拉桿傳動(dòng)調(diào)節(jié)力）安裝在水泵的葉輪輪轂內(nèi)部，再通過機(jī)械機(jī)構(gòu)拉動(dòng)葉片角度，使之可以調(diào)節(jié)，如南水北調(diào)江都站改造前的水泵，極易發(fā)生密封漏油造成水質(zhì)污染，且在漏油后致使操作系統(tǒng)失靈導(dǎo)致葉片調(diào)節(jié)困難等缺點(diǎn)。

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(tuán)、奧地利的 ANDRITZ集團(tuán)等更新了設(shè)計(jì)思路，采用了新技術(shù)對(duì)液壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，提出了環(huán)保型大型水泵液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的概念，也就是中置式葉片角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，葉片操作機(jī)構(gòu)采用與機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)類似的拉桿系統(tǒng)，同時(shí)采用無油潤滑的葉片樞紐密封結(jié)構(gòu)徹底解決了水泵旋轉(zhuǎn)部件在水體中的漏油問題，既保證系統(tǒng)可靠、又保證水質(zhì)無污染，而且油壓根據(jù)調(diào)節(jié)力采用高等級(jí)油壓（最高壓力已達(dá)到10MPa）使得液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)緊湊，保證了運(yùn)行可靠和維護(hù)方便。寶應(yīng)站中置式葉片角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)在：

（1）采用調(diào)節(jié)系統(tǒng)的活塞裝置安放在水泵軸與電機(jī)軸之間后，葉片樞軸采用無油潤滑的結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)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(nèi)領(lǐng)先技術(shù)——中置式油壓結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)安裝、維護(hù)方便，最大的特點(diǎn)是水泵葉輪和泵軸內(nèi)沒有壓力油，使水泵從結(jié)構(gòu)上徹底解決了傳統(tǒng)采用的下置式油壓結(jié)構(gòu)因葉輪內(nèi)壓力油泄漏而污染水質(zhì)的問題，為南水北調(diào)工程提供符合環(huán)保要求的水泵。該技術(shù)在國內(nèi)水泵技術(shù)中沒有先例，為國內(nèi)首創(chuàng)。

（3）葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)受油器引進(jìn)日立公司具有國內(nèi)領(lǐng)先的成熟技術(shù)，其結(jié)構(gòu)緊湊可靠、調(diào)節(jié)力大、調(diào)節(jié)平穩(wěn)可靠、控制精確，保證了水泵運(yùn)行的可靠性。最大調(diào)節(jié)力達(dá)70t，為目前國內(nèi)水泵調(diào)節(jié)力之最。

（4）葉輪內(nèi)的葉片操作機(jī)構(gòu)（球接頭）及葉片轉(zhuǎn)動(dòng)軸承采用無油潤滑軸承，排除了葉輪內(nèi)的潤滑油泄漏而污染水質(zhì)的可能。球接頭及葉片轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝在水泵技術(shù)中未有先例，為首創(chuàng)技術(shù)。

（5）葉片密封采用新型的“V”型密封技術(shù)，“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(jìn)入葉輪室內(nèi)，起到良好的密封作用，而國內(nèi)傳統(tǒng)的“λ”型密封主要是防止轉(zhuǎn)輪腔內(nèi)的油泄漏，因此當(dāng)葉輪內(nèi)無油，外部水壓大于葉輪內(nèi)部壓力時(shí)，“λ”型密封已不適用于該結(jié)構(gòu)?！癡”型密封解決了“λ”型密封封油不封水的問題，在國內(nèi)大型全調(diào)泵技術(shù)中首次使用。

7 結(jié)束語

中置式葉角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過現(xiàn)代控制技術(shù)的優(yōu)化調(diào)度軟件實(shí)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(jī)的應(yīng)用上取得了豐富的成功經(jīng)驗(yàn)，而在國內(nèi)大型泵站和水電站建設(shè)中也非常少見。南水北調(diào)工程建成后，泵站年運(yùn)行時(shí)間約在5000h左右，機(jī)組運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和高效率極其重要，因此通過引進(jìn)先進(jìn)的調(diào)節(jié)技術(shù)和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泵站的優(yōu)化運(yùn)行，不僅具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且通過該項(xiàng)技術(shù)的消化吸收，還可以提高國內(nèi)大型水泵生產(chǎn)加工技術(shù)水平，促進(jìn)國內(nèi)的水泵加工技術(shù)與國際先進(jìn)水平的同步。

通過寶應(yīng)站建成之后的實(shí)際運(yùn)行情況來看，該葉片角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，確保了寶應(yīng)泵站運(yùn)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(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量提供了經(jīng)驗(yàn)，也為南水北調(diào)工程其他泵站的建設(shè)提供了較好的借鑒。

[1] 滕海波, 仇寶云, 湯正軍, 等．南水北調(diào)寶應(yīng)泵站新技術(shù)的應(yīng)用[J]. 排灌機(jī)械, 2007，（3）：21-26．

[2] 俆澤林. 泵站機(jī)電設(shè)備維修工與泵站運(yùn)行工[M].鄭州：黃河水利出版社, 1995.

[3] 劉超. 泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(dòng)力高等?？茖W(xué)校，主要從事泵站建設(shè)管理方面的研究，工程師。