大型液壓全調節立式軸流泵葉片調節機構故障分析與改造

李 揚，夏方坤，周燦華，繆 薇，陸明浩

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚州 225200）

大型立式軸流泵為有效調節水泵運行工況，保持水泵在高效區運行，通常采用變角調節。變角調節分為半調節和全調節兩種方式。半調節只能在機組檢修時進行調節，全調節可在機組運行時對水泵葉片進行實時調節，從而實現高效運行和優化調度。大型全調節軸流泵葉片調節機構一般由葉片傳動機構和控制機構組成。葉片傳動機構由曲柄、連桿和拐臂組成，裝于轉輪體內，適用于各種葉片調節，結構上沒有太大變化?？刂茩C構分為機械操作和液壓操作。因此，大型全調節軸流泵葉片調節機構又分為機械調節和液壓調節［1-4］。其中液壓調節普遍采用外供油的形式，配套專門油壓裝置，因此，設備龐大、系統復雜、輔助設備多、運行操作管理麻煩、維護費用較高，而且運行時間較長后，容易產生油壓異常、密封漏油磨損等問題，且安裝檢修標準高，安裝不到位，也會引起滲漏油、調節力不夠等現象，影響機組運行可靠性［5-10］。例如東深供水旗嶺、金湖泵站在運行中出現過油泵過載、漏油停機等故障［11-13］。

針對液壓式葉片調節機構存在的問題，國內多家泵站開展了相關技術研究改造，例如皂河泵站采用機械液壓自動調節法［14］，江都第三抽水站采用油氣分離法［15］解決了油氣混合帶來的夾氣影響，延長油泵氣泵的啟動周期。禹王站，湖北省白馬涇泵站，南水北調東線寶應泵站，長溝泵站等采用中置式環保型液壓全調節機構解決了輪轂漏油造成的水體污染問題［16-18］。烏江抽水站傳統油壓式葉片調節機構經歷了兩次改造，第一次改造為上置式電動機械葉片調節機構，在實際運行中發生調節器軸承高溫燒損等故障，第二次進一步改造為內置式液壓調節器［19-22］?；此闭{固鎮站，婁宋站，湖南省明山泵站，西淝河泵站，高塘湖泵站，引江濟淮工程蜀山泵站，大東口電排站等均采用內置液壓式調節器［23，24］，取消了外部供油系統，運行穩定可靠。

江都第四抽水站（后文簡稱江都四站）安裝有7臺液壓全調節立式軸流泵，采用了BYKD型油壓式葉片全調節裝置，該裝置在運行過程中多次發生葉輪活塞漏油，受油器浮動瓦發熱，受油器底座漏油等故障。2018年，抗旱運行期間，6號主機葉輪密封老化導致漏油，因旱情嚴重，不可長時間停機檢修。為解決該問題，設計了一套葉調機構應急降壓運行系統［25］，該系統可將單臺主機葉調機構運行壓力降低，從而減少漏油量，延長補油間隔時間，該方案僅能作為應急使用。為從結構上解決滲漏油，受油器發熱等問題，于2020年將1 號主機改造為內置式葉調機構。運行效果良好，并計劃結合主機年度大修，逐年進行機組改造。

1 BYKD 型油壓式葉片全調節裝置及存在問題

1.1 BYKD型油壓式葉片調節機構

葉片液壓全調節裝置由儲油箱、蓄能器、受油器、接力器活塞、壓力油管路等部分組成。BYKD 型液壓調節器機構的工作原理如圖1所示。

圖1 BYKD型液壓調節器機構工作原理圖

1.2 存在的問題

在多年開機和運行過程中易發以下3 種故障：一是易出現多處滲漏油現象。壓力油從油管到受油器，葉輪頭，均易滲漏，滲漏量大時需要停機處理；二是易燒損軸瓦。受油器操作油管處在最上端，其與受油器體的配合有上、中、下三個軸瓦，在葉輪葉片旋轉時，受油器操作油管除隨軸旋轉外，還需上下移動，振動幅度過大、壓力油供給不足、安裝不當等因素均會引起軸瓦燒損，特別是下軸瓦和上軸瓦，如2019年7 號機組在運行中受油器箱體發熱，無法調節葉片角度，停機后拆解發現受油器操作油管、軸瓦的接觸面因摩擦過熱后燒損融化的現象，軸瓦銅套處融化較為明顯，如圖2、3所示。三是蓄能器皮囊老化破損，例如2016年拆解蓄能器發現皮囊老化破損，如圖4～6所示。

圖2 受油器操作油管磨損面

圖3 軸瓦燒損磨損面

圖4 蓄能器拆卸

圖5 蓄能器皮囊

圖6 蓄能器皮囊破損處

1.3 問題分析

（1）結構復雜是導致故障風險點多的根源。外部供油式葉片調節機構壓力油管路較長。以四站為例，1 號壓油裝置負責1～4 號機葉調機構，2 號壓油裝置負責5～7 號機組，兩臺壓油裝置之間有連通閥。一旦一臺機組壓力油大量泄漏，則會導致齒輪油泵頻繁啟動，油箱油位迅速下降，嚴重時影響相鄰機組葉調機構的正常工作。該系統結構復雜，管路接頭多，滲漏點多，各臺機組葉調機構獨立性差。

（2）受油器操作油管和軸瓦的相對運動摩擦是產生熱量的根源。液壓全調節水泵，其葉片的轉動是靠油壓來控制的。四站葉片調節器位于主電機頂部，主要由調節機構、受油器、配壓閥三部分組成。進入調節器的高壓油通過配壓閥控制進入操作油管和主軸之間的腔體或者內操作油管內腔，分別聯通到葉輪頭輪轂活塞的上下腔體。當高壓油通過操作油管內腔進入活塞下腔時，活塞上移，通過操作桿、拐臂帶動葉片向正角度方向轉動，此時上腔部分起到回油管的作用，將油輸送回儲油箱。反之，高壓油進入活塞上腔，則葉片向負角度轉動。液壓全調節水泵調節器內部結構如圖7所示。

圖7 液壓全調節水泵調節器

受油器是接受油、輸送油的部件，由受油器體、受油器底座、轉動油盆、壓力油管、回油管、上軸瓦、中軸瓦、下軸瓦、操作油管（內油管和外油管）等組成。

當機組運行時，操作油管隨電機軸同步轉動，而受油器體固定在機油盆上不隨電機軸轉動。操作油管和受油器體之間有浮動軸瓦，起到密封、隔離的作用。受油器內腔充滿壓力油，浸潤在操作油管、浮動瓦，受油器體內腔，同時也起到潤滑的作用。操作油管和浮動軸瓦之間供油不足，操作油管和受油器體安裝不同軸，或者振動過大等因素導致操作油管和浮動軸瓦碰擦產生大量熱量導致金屬件膨脹，進一步加劇熱量的產生，最終導致軸瓦抱死，接觸面燒融等故障。

2 葉片調節器改造方案的選擇

一是針對不停機運行情況下，葉輪活塞滲漏油的故障應急處理方案。二是通過對機械式葉片調節機構，內置式葉片調節機構的比選，最終選用內置式葉片調節器的方案從結構的角度解決葉輪活塞滲漏油、受油器發熱等隱患。

2.1 降壓運行應急處理方案

通常，油壓式葉片調節機構系統發生故障時需要停機處理。其中，受油器故障，在銅套等備品件充足的情況，檢修大致需要2 天左右；葉輪頭密封老化滲漏故障，需要回廠處理，加上進口密封的訂貨周期，大約需要2個月左右才能修理完成；蓄能器皮囊破損需要更換時，同樣存在因訂貨周期影響維修周期的問題。有時，因抗旱排澇調度需要，必須投運全部機組，則需要采取應急處理措施。

以葉輪頭漏油不停機應急處理措施為例，2018年6 號主機運行期間因葉輪頭密封老化導致滲漏，因蘇北地區旱情嚴重，要確保所有機組全部投運，無法長時間停運，故新增設一套葉片調節機構降壓運行裝置，在減少滲漏量的基礎上，定期給儲油箱補油，保障機組穩定運行。葉片調節機構降壓運行裝置原理如圖8 所示，降壓部分實物如圖9 所示，壓力油經過閥塊先進入減壓閥進行減壓時，降壓運行裝置將4.0 MPa 的輸入壓力減為需要的壓力范圍（0.2～1 MPa 可調）。電磁換向閥起到油路通道作用，若有需要可進行切換，可以將輸出壓力油接通到排油管。通過該應急處理方式，成功保障了機組穩定運行，但該方式并未從根本上解決葉輪頭漏油問題。

圖8 壓力可調式葉片調節機構降壓部分原理圖

圖9 壓力可調式葉片調節機構降壓部分實物圖

2.2 改造方案比選

為從解決葉輪頭漏油的隱患，選擇3種方案進行比對分析，一是機組大修，拆卸葉輪頭返廠維修對密封進行更換，這種事后維修的方式未改變葉片調節機構的結構，雖解決了該臺主機漏油的故障現狀，但未消除結構隱患。二是更換為機械式調節機構，在上端采用電機驅動，通過擺線針輪減速機控制葉調機構軸承箱上下移動，帶動操作桿上下移動，從而改變葉片角度。但機械式葉片調節機構帶來了新的隱患，例如抬軸，葉調機構軸承箱冷卻水管易脫落，葉調機構軸承箱發熱等隱患。在機械式葉片調節機構軸承箱中，調節桿在機組運行時處于旋轉狀態，與靜態的軸承相對運動同樣產生大量熱量。三是選擇內置式葉片調節機構，將活塞上置，齒輪油泵、微型直流電機內置于調節機構內部，取消了外部復雜供油系統。同時油箱，調節桿與大軸同步旋轉消除了操作油管和浮動瓦的相對摩擦。采用碳刷與集電環的方式像油箱內部微型直流電機以及電磁換向閥供電。該方式結構合理，且改造工作量相對較少，在調節桿等其他組件安裝完畢的情況下更換上部葉調機構僅需2 h。通過3 種方式的比對，四站選擇了將7 號機組葉輪頭返廠維修更換葉輪密封，選擇1號主機進行內置式調節器改造試點。

3 內置式葉片調節器及特點

內置式調節器采用液壓內置式，省去了外供油系統，同時采用上置式安裝。

3.1 內置式葉片調節器結構

調節器主體通過底盤固定在電機軸頂部，和電機軸同步旋轉，主體分為3 個部分，自上而下分別是儲油箱，活塞，連接底座，通過法蘭進行連接。外面加上調節器外罩予以保護，其結構如圖10所示。

圖10 內置式調節器的結構示意圖

微型無刷電機，微型高壓齒輪油泵，液控單向閥、電磁換向閥、溢流閥等組件均布置在上部油箱內。通過高壓油管、電磁閥等可將壓力油輸送至中部活塞的上、下腔?；钊路竭B接至主軸內部的調節桿，帶動葉輪活塞上下移動，從而帶動葉片轉動。在油缸上下蓋板與活塞桿之間以及活塞周邊裝設有兩道密封以防滲漏油。

由于無刷電機隨著油箱進行轉動，因此通過電刷、集電環的方式將動力電源傳輸進來。共有3 個電刷，最上面是24 V+，中間公共“-”，最下面19 V+。電刷架固定在外罩的內壁上。

調節器的控制箱裝設在調節器罩殼的正面，安裝有兩個穩壓電源，一個是220 V變24 V直流，供plc以及電磁換向閥用，一個是變12～24 V可調，里面有一個變頻器，經調試后選定一個固定頻率使用，用于伺服電機調速。

油箱頂部裝有角度測量支架，下端和活塞直連，隨著活塞的位置上下移動。角度支架上裝有角度顯示器，采用紅色光線的形式將角度投射至罩殼外部的透明角度顯示器上，罩殼頂部裝有固定激光傳感器，用以測定活塞移動行程距離，同時將采集的數據傳輸至PLC。

3.2 內置式葉片調節器原理

內置式葉片調節機構的工作原理如圖11所示，它通過調節桿與葉片轉動機構連接，就可實現葉片的角度調節。

圖11 內置式調節器的工作原理

動作過程如下：

（1）水泵葉片朝正角方向調節。當檢測到上位機發出的上調指令后，集電環接通液壓站的電機電源，液壓站得電開始工作，高壓油經溢流閥穩壓后，送給二位四通電磁換向閥的P 孔，此時二位四通電磁換向閥的A 孔通道打開，高壓油經液控單向閥后進入油缸的下油腔，下油腔內的壓力升高，推動活塞上行。同時二位四通電磁換向閥的B 孔與T 孔導通，使油缸的上油腔有回油通道，活塞順利上行。活塞上行通過活塞桿帶動調節桿上升，調節桿上升時拉動水泵葉片的拐臂機構，使葉片角度朝正角方向旋轉。

當系統檢測到上調的調節到位時，上位機發出停機指令，集電環斷開液壓站的電機電源，液壓站失電停止工作，此時二位四通電磁換向閥的P孔失壓，液控單向閥的A、B孔鎖定，同時將活塞也鎖定，此時機組葉片鎖定在規定的角度值下運行，不會出現軸向位移。

（2）水泵葉片朝負角方向調節。當檢測到上位機發出的下調指令后，集電環接通液壓站的電機電源，液壓站得電開始工作，二位四通電磁換向閥也得電換向，高壓油經溢流閥穩壓后，送給二位四通電磁換向閥的P 孔，此時二位四通電磁換向閥的B孔通道打開，高壓油經液控單向閥后進入油缸的上油腔，上油腔內的壓力升高，推動活塞下行。同時二位四通電磁換向閥的A孔與T孔導通，使油缸的下油腔有回油通道，活塞順利下行。

活塞下行通過活塞桿帶動調節桿下降，調節桿下降時推動水泵葉片的拐臂機構，使葉片角度朝負角方向旋轉。

當系統檢測到下調的調節到位時，上位機發出停機指令，集電環斷開液壓站的電機電源，液壓站失電停止工作，換向閥也失電換向，此時二位四通電磁換向閥的P孔失壓，液控單向閥的A、B 孔鎖定，同時將活塞也鎖定，此時機組葉片鎖定在規定的角度值運行，不會出現軸向位移。

3.3 內置式調節器特點分析

歸納起來，內置式調節器能體現以下特點：

（1）采用活塞上置式、內供油。內置式調節器采用內供油的方式，無需外供油系統，因此與外油路沒有任何聯系。同時采用活塞上置式的方式，機組運行時調節器本體可隨主電機轉子同步旋轉旋轉，解決了外部供油系統受油器軸瓦發熱的問題。

（2）微型化，高度集成，結構簡化，便于維護管理。內置式調節器設計優良、集成度高，整體結構簡單、體積小，重量輕，易于拆裝。無外部供油管路對泄漏的限制要求，因此內供油調節器的壓力可以達到25 MPa，遠遠大于外供油的最大壓力4 MPa左右。因省去外供油系統，設備維護管理工作量減小，且故障率大大降低，檢修工作量和成本也大大降低。

（3）性能穩定，工作可靠，無泄漏，對環境無影響。機組運行時，采用內置式調節器的液壓油系統在不調節葉片角度時是不工作的，此時單向液控閥鎖住上下油缸的壓力油不泄漏，保持葉片角度不變，從而減少機械摩擦時間和頻率，降低了調節器壽命損耗，保證其性能的穩定。此外，它不同于外供油，為保持系統壓力穩定，每隔幾分鐘就須啟動一次油泵向系統補充壓力油（否則，壓力不穩定會引起葉片角度下滑）。所以，采用內置式液壓調節器，不僅能避免系統漏油、污染環境，而且設備少、能耗低，性能穩定，工作可靠。

4 葉片調節器改造要點

內置式葉片調節機構最核心的變化有兩點，一是調節活塞由下置式改為上置式，二是壓力油系統內置。在改造的過程中有4 個要點：①活塞調節力計算。②對原下置式活塞的改造。③調節桿拉力計算，重新定制調節桿；④連接螺栓拉力計算，重新選擇螺栓螺孔。

4.1 調節力計算

原葉輪活塞結構如圖12 所示。活塞直徑600 mm，下部操作桿直徑160 mm。

圖12 原葉輪活塞結構圖

新調節機構的調節力應不小于原系統的調節力，才可保障葉片調節符合原設計以及實際需求，通過以下公式計算進行對比，具體數據詳見表1。

表1 調節力的活塞拉力計算

調節力=系統壓強*活塞面積

原系統壓力為3.5～4 MPa，外半徑0.3 m，內半徑0.08 m，活塞受力面積為π（R12-R22）=0.262 637 m2，原活塞向上調節力約為919.23～1 050.55 kN。

現系統壓力為25 MPa，外半徑0.16 m，內半徑0.06 m，活塞受力面積為π（R12-R22）=0.069 115 m2，現活塞向上調節力最大約為1 724.80 kN，活塞向上調節力符合實際需求。同理，經計算向下調節力也符合要求。

4.2 原下置式活塞的改造

原下置式活塞作用發生了改變，原活塞在液壓油的作用下在上下截面的壓力差產生調節力，轉變為機械連接桿傳遞拉力的作用。這樣原先活塞上下腔需要密閉不連通，作為連接桿時，就需要打通上下腔，消除壓力差。因此，我們在原活塞上對稱打4孔，連通上下腔體，如圖13所示。

圖13 密閉活塞活塞打通

4.3 調節桿的抗拉力計算與改造

原操作油管的作用是傳輸壓力油，本身不受活塞拉力，如圖14所示?；钊现煤螅{節桿作用承受葉輪運行時葉片產生的拉力，如圖15所示。

圖14 原操作油管

圖15 新加工的調節桿

原操作油管外半徑0.03 m，內半徑0.021 5 m，截面積為π（R12-R22）=0.001 375 232 m2，抗拉力約為825.16 kN，低于活塞調節力，易被拉斷。因此對調節桿進行重新設計制作，采用45號鋼，外徑0.07 m，內徑0.048 m，截面積為π（R12-R22）=0.008 155 575 m2，新調節桿抗拉力約為4 893.14 kN，符合調節力需求，具體數據詳見表2。

表2 調節桿的抗拉力計算

4.4 連接螺栓的拉力載荷計算與改造

原下置式活塞與操作油管連接螺栓是6 顆10.8 級粗牙M12×40，如圖16 所示，每顆拉力載荷約87.71 kN，總計526.26 kN，低于調節力，運行中易被拉斷，需要重新設計。新制作調節桿與原活塞連接螺栓選用8 顆10.9 級M24×150 螺栓，每顆拉力載荷約189.63 kN，總計1 517 04 kN，符合拉力需要。

圖16 調節桿連接螺栓改造

5 結 語

江都第四抽水站針對南水北調滿負荷運行工況下發生的機組葉輪頭漏油等問題，創新性提出并應用葉片調節機構降壓運行應急方案，有效保障了機組持續穩定運行。并進一步針對外置式供油系統，下置式活塞結構進行改進，將油缸、微型油泵、微型電機，閥組，油路，活塞集成于一體。2020年，江都四站1 號主機改造后累計運行1 451.4 臺時，運行穩定可靠，充分發揮工程效益，未出現滲漏現象，降低了檢修、維護及運行管理難度。內置式葉片調節機構在實際運用中仍有繼續提升的空間，例如目前采用的激光角度顯示器，在系統斷電時，無法觀察葉片角度，后續可以改回機械式角度指示器。 □