烏江泵站葉片角度調節器應用分析與改進

項雙樹

（安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 馬鞍山238251）

1 引言

駟馬山灌區屬大（1）型灌區，灌區以提引長江水為主，1969 年12 月動工興建，規劃為五級提水，總揚程46.5 m，裝機32 臺，總容量7.85 萬kW，設計灌溉面積365.4 萬畝，涉及皖蘇2 省4 市10 個縣（市、區）。烏江泵站為駟馬山灌區渠首工程，從長江干流提水，1969 年動工，1973 年8 月首臺機組投入運行。設計裝機10 臺，單機容量1 600 kW、單機流量22.5 m3/s。由于長江水位一年四季變化較大，采用了葉片角度全調節式軸流泵。伴隨著機組的更新改造和技術水平的發展，其葉片角度調節機構經歷了多次技術改造，從固定式液壓調節機構、固定式機械調節機構和旋轉式液壓調節機構的不斷更新改進。

2 固定式液壓調節器

烏江泵站其大型全調節軸流泵的葉片調節機構最初采用的是固定式油壓調節機構，包含上、下兩部分，下部分在葉輪室內，在外力作用下驅動葉片轉動的連桿、搖臂等連接機構；采用外供油式液壓調節裝置調節葉片角度，其葉輪室內的下調節機構系統除安裝1 套葉片、搖臂及連桿、連桿座等連接機構外，還安裝有1 套液壓工作室（含活塞和油缸）；上調節機構系統中一部分裝置設置在主電動機外罩殼頂端（主電動機軸和主水泵軸均為空心軸），它包括差動配油系統、供油管路系統和機械（帶指針）顯示系統。另一部分裝置（輔助設備）布置在電機層專用輔助設備機房和其它幾個較偏僻的地方，它包括1 套加氣增壓系統和1 套外供油系統。加汽增壓系統包括1 臺打氣泵、1個儲氣罐和1 套供氣管路系統；外供油系統包括1 個儲油罐和1 套供油管路系統。我們把這種調節機構裝置稱為“固定式液壓調節器”，如圖1 所示。

圖1 固定式液壓調節機構示意圖

這種固定式液壓調節裝置的主要優點是調節力大，運行較平穩，主要不足是：

（1）上調節機構系統復雜、龐大，不便于維護檢修。

（2）需要供氣、供油的輔助設備，運行維護工作量大，運行成本高。

（3）供氣、供油管路接頭多，長期運行密封件磨損，很容易漏氣、漏油，造成葉片無法調節，特別是轉輪室內一旦漏油，還易污染水體。只有停止機組運行，解體水泵后才可檢修，檢修時間長，難度大。

3 固定式機械調節器

針對上述問題，2000 年烏江泵站結合機組更新改造，首次對葉片調節機構進行了全面改進，改進后的上調節機構設置在主電動機外罩殼頂端，主電機軸和主水泵軸均為空心軸，空心軸內設1 根拉（推）桿，簡稱調節桿。下調節機構的拉桿座與調節桿下端相連；上調節機構的傳動軸與調節桿上端連接，傳動軸作上、下移動，從而帶動水泵葉片轉動。這種調節型式在全調節機組結構布局上有了新的突破，我們把這種上調節機構裝置稱為“固定式機械調節器”。圖2 所示：它主要由小電動機、減速箱、拉桿頭、分離器、分離器座、調制座、調節器座等組成。它的優點是：調節型式布局合理；調節葉片靈活；無壓力油，消除了“跑、冒、滴、漏”現象，不污染水體。相對于固定式液壓調節器結構簡單，造價和運行成本相對也較低。

圖2 固定式機械調節器結構簡圖

這種“固定式機械調節器”的主要不足是：

（1）主體做無用功的時間長。水泵不調節葉片角度時，本來不需要調節器工作，但這種布局型式的調節器在主電動機及主水泵轉動時，調節器傳動座內的平面軸承及傳動軸必須長期跟隨主電動機軸高速轉動而做無用功。

（2）平面軸承極易損壞，但又無可取代。為方便調節器帶負荷操作，調節器的傳動軸必須與水泵葉片調節桿連接，因而傳動軸既要隨主電動機軸高速轉動，又要上、下移動推、拉水泵葉片調節桿，這就必須有1 個或多個平面軸既承擔起傳動軸的徑向定位作用（將傳動軸固定在與水泵葉片調節桿同心的中心位置），又承擔起支撐水泵葉片軸向調節力的作用，因而它極易發熱和磨損，但卻又無可取代。烏江泵站6 號機組曾因溫度過高不能運行。

（3）水泵抬軸加重平面軸承損壞。調節器自重荷載由主電機外殼承擔，水泵開機抬軸時泵軸向上的沖擊力既容易損壞電動機座總承（推力軸承）或主電動機鏡板，又容易損壞調節器平面軸承。

（4）甩油現象突出。因主水泵、主電動機工作時，調節器傳動軸及平面軸承需要隨主電機軸高速轉動，故平面軸承和傳動軸會長期處于高溫狀態下運行，容易造成潤滑油液化甚至汽化，導致調節器甩油現象突出。

（5）未實現遠距離顯示和遠距離控制。

4 內置旋轉式液壓調節器

2013 年，烏江泵站進行技術改造，根據幾十年的運行和實際情況重新選定了泵型，其葉片調節機構采用了一種內供油式液壓調節器，如圖3 所示：它由旋轉體（包括安裝座、支撐座、油缸、油箱、活塞、活塞桿、活塞頂端延伸桿、小電動機、油泵、電磁換向閥、液控單向閥）、外罩殼（即固定體、包括供電滑環、位移傳感器等）和控制顯示等三部分組成。它將調節器主體（旋轉體）置于主電動機軸頂端，與主軸同步旋轉，主電動機軸和水泵軸均為空心軸，調節桿及下部調節機構仍利用原機構。

我們把這種上調節機構裝置稱為“旋轉式液壓調節器”。它與“固定式液壓調節器”和“固定式機械調節器”相比，有如下優點：

（1）采用上置式、內供油的調節結構布局，調節器主體隨主電動機軸旋轉，水泵上調節機構裝置設計有了全新的設計理念。很好地解決了調節器主體旋轉與固定結合的難題。

圖3 內置式液壓調節器結構

（2）調節器主體隨主電動機軸同步旋轉，改變了以往“固定式機械調節器”推力軸承的著力點，變“固定式機械調節器”的外力調節為本調節器的內力調節，從根本上消除了調節器軸承發熱、燒損和水泵抬軸的影響。

（3）調節器主體與主電動機軸及葉片調節桿在任何時候都處于相對靜止狀態，葉片角度不改變時，調節器不工作，因而調節器的工作時間只有主電機及主水泵工作時間的1/1000～1/3000。

（4）調節器通過其設置的位移傳感器和數字顯示儀表，可以遠距離顯示泵葉片角度變化情況，進而可遠距離控制和調節泵葉片角度。

（5）體積小、重量輕、結構簡單。

（6）檢修方便，便于維護管理。

旋轉式液壓調節器經過幾年的運行仍有以下問題：

（1）“垮角度”，即葉片角度鎖定性能較差。“垮角度”的原因是液壓缸內的液壓油“泄漏”造成的。該型調節器有3 個泄漏點：①活塞壁與油缸壁之間的內泄；②活塞桿穿過油缸壁處的外泄及閥組之間的聯接頭的外泄；③活塞頂端供傳感器探測位移的延伸桿穿過油缸壁處的外泄。液壓油泄漏，就會改變活塞在油缸中的位置，從而造成“垮角度”的現象發生。

（2）“甩油”。一是因調節器的小電機、油泵、電磁換向閥、單向液控閥等都安裝固定在上油箱底部，故隨主電機高速旋轉的油箱內的小電機進線孔因電線膠套與油和密封材料之間很容易發生化學反應、產生孔隙而導致油箱甩油；二是油缸中活塞桿穿過油缸壁處的外泄和活塞頂端供傳感器探測位移的延伸桿穿過油缸壁處的外泄兩個甩油點。

（3）容易燒損供電滑環。因供電滑環采用的是開敞式滑環，碳刷（安裝在罩殼內壁上）與滑環（安裝在旋轉體上）之間容易因堆積灰塵產生電弧而燒損滑環；而且長時間運行，碳刷在滑環接觸面上劃起劃痕，更容易產生電弧而造成滑環燒損。

（4）位移傳感器易損。由于位移傳感器安裝在處于靜止狀態的調節器外殼上，而探測的物體（活塞頂端的延伸桿上）又隨主電機高速旋轉，導致傳感器觸頭長期磨損，運行時間稍長就需更換傳感器探測桿。

5 旋轉式液壓調節器的技術升級改造

針對存在的問題，在不改變原調節器總體結構的情況下進行處理，原有的支撐座、油缸、活塞、活塞桿、外罩保持不變，增加三相四線動力電源線、以太網遠程控制線、故障反饋電纜等，如圖4 所示。

圖4 改進后的旋轉式液壓調節器

它由旋轉體部分（包括油箱蓋2、油箱3、集成式液壓動力單元4、油缸5、活塞6、活塞桿7、支撐座8、外罩殼9 等），固定體部分（包括供電滑環1、位移傳感器等）和控制、顯示箱（包括常閉行程開關、空氣開關、單向接觸器、轉換開關、數字顯示儀表等）三大部分組成，調節原理同上。

1）針對“垮角度”問題：采用新式的液壓動力單元。新式液壓動力單元摒棄了原有的三位四通電磁閥、液壓鎖、負載平衡閥等多個閥組，采用高度集成的插裝閥閥組，結構簡單，響應靈敏，故障率大大降低。活塞及活塞桿的密封圈采用進囗件。改變位移傳感器探測位置，將其安裝固定在調節器旋轉體上，使其與調節器同步旋轉，減少1 個泄漏點。

2）甩油問題：半開放式油箱總成改為全密封式油箱總成。原調節器油箱總成在設計時有諸多缺點導致設備運行時漏油嚴重而且維修困難。全密封式油箱總成能徹底解決油箱總成漏油的問題。

3）位移傳感器易損問題。利用激光位移傳感器取代滑動式位移傳感器。滑動式位移傳感器長時間磨損后會出現角度跳動、接觸不良等現象，而激光位移傳感器與測量物體不存在接觸，也就不存在磨損的問題，角度測量更為穩定可靠；角度傳感儀的測量點安裝在活塞桿與拉桿套之間，角度傳感器則安裝在油缸之上。

4）容易燒損供電滑環問題。原外徑100 mm 的過孔式供電滑環改為外徑56 mm 的轉子法蘭供電滑環。改變供電滑環的外徑尺寸降低滑環的線速度，從而降低滑環的磨損速度，增加供電滑環的使用壽命。供電滑環安裝固定在頂板上，其轉動部分（轉子）隨頂板與旋轉體做同步旋轉，轉子上的電源輸出端與液壓動力單元電源輸入端連接;非轉動部分（定子）與頂板帶圓環的一端用螺栓緊固連接，定子電源輸入端與調節機構上罩殼內壁邊上的電源插頭相連接;供電滑環除向液壓動力單元供電外，還向角度傳感儀供電，同時幫助角度傳感儀將角度變化信號傳輸至控制顯示系統。

5）增加機械限位裝置。保證調節器出現故障不能操作時，也能保證水泵葉片固定在某一角度運行，且調節器可拆下來檢修。

6）數字顯示控制箱改為觸摸屏操控、PLC 控制的控制箱。改進后的控制箱具有美觀、操作更為便捷、能與上位機實現遠程操作、遠程顯示、遠程監測等功能。

6 結束語

通過上述改進后的調節器，長時間運行平穩，其結構簡單、運行可靠、調節精準、維護方便。對于葉片角度全調節的泵站而言，實現葉片角度智能調節是泵站運行中值得認真研究的深層次管理問題，也是一個值得研究和探討的較為復雜的技術問題。下一步將運用實測的機組性能數據，建立數學模型對軟件進行升級，對葉片角度實行智能化調節，使全調節泵始終保持在高效率區間運行。真正做到無“極”調節，實現泵站智能化，達到泵站精細化管理需求。