新型叶片调节机构在南水北调台儿庄泵站的应用

作者简介：刘钦冬（1976-），男，高级工程师，台儿庄泵站管理处副主任。研究方向为水利工程运行管理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.040

摘" 要：该文以台儿庄泵站叶片调节机构改造为例，分析改造前后的性能对比，为调水工程类似立式轴流机组叶片调节机构的更新改造提供理论和实践借鉴。

关键词：南水北调；泵站；叶片调节机构；改造；油压装置

中图分类号：TV675" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）21-0168-05

Abstract： Taking the transformation of the blade regulating mechanism of Tai'erzhuang Pump Station as an example， this paper analyzes the performance comparison before and after the transformation， so as to provide theoretical and practical reference for the renovation of the blade regulating mechanism of similar vertical axial flow units in the water transfer project.

Keywords： South-to-North Water Diversion Project; pump station; blade regulating mechanism; transformation; oil pressure device

南水北调东线工程起自江苏省江都泵站，共13级梯级泵站，台儿庄泵站工程是长江水进入山东的第一站，也是南水北调东线工程的第七级泵站，其主要任务是抽引骆马湖来水通过韩庄运河向北输送，以满足南水北调东线工程向北调水的任务，实现梯级调水的目标。此外，兼有台儿庄城区排涝和改善韩庄运河航运条件的作用。工程为大Ⅰ等工程，工程设计调水流量为125 m3/s，台儿庄泵站厂房内安装5台立式全调节轴流泵，泵站一台机组的设计流量31.25 m3/s，配套同步电动机的功率为2 400 kW，5台机组总装机容量为12 000 kW。机组自2008年安装完成，2013年11月进入运行期，已运行十多年，由于原叶片调节机构（图1、图2）存在调节不灵活，运行不稳定、不可靠；设备的密封件老化，存在渗漏现象，运行时需经常补油补压，有较大的安全隐患。遂结合机组大修对泵站水泵机组的叶片调节机构进行了更新改造，取得了很好的效果，为类似水泵机组的叶片调节机构的升级改造提供了借鉴。

1" 原叶片调节机构的状况

1.1" 原叶片调节机构工作原理

原叶片调节机构是液压调节外供油方式。其工作机构组成：一个油箱、一个贮能罐、一个双筒过滤器、2台油泵及相应的仪表、阀门和电气系统等。正常状态时油箱内储有足够的油液，压力罐内充有一定压力及容积的空气，起到储备能量及缓冲作用，在调节叶片角度时，贮能罐中的压力油通过配压阀进入油缸，通过油缸的力矩机构，改变叶片的角度，水泵正常运行时，贮能罐中的压力油通过配压阀及反馈机构调整油缸的供油量。为保证贮能罐压力稳定，需根据压力降低情况自动补气，在调水运行期为安全起见，泵站运行值班人员每隔3～4 h采用人工进行补气，以此来维持贮能罐内的压力，确保压力油位不下降，保证叶片角度的稳定。

1.2" 原叶片调节机构存在的问题

1）台儿庄泵站利用外供油的油压调节装置进行水泵机组叶片调节，因装置采用外供油方式，机组内泄油量较大，油泵补油频繁，油压装置内油压下降比较快，机组运行时一般在1～2 h补充液压油一次；从2013年11月南水北调东线工程正式通水运行以来，已满负荷开机运行多年，叶片调节器的小轴铜质轴套磨损加大，导致水泵机组的油压装置存在泄油现象，每个运行班组需要经常去空压机室补气以此给贮气罐加压补油，经常半小时左右补充液压油一次，不能有效地保证设备安全稳定运行，机组设备存在较大安全隐患。

2）压力容器上配套压力表和安全阀，都需要报备检验，压力表半年1次，安全阀1年1次，调水期间无法更换检验安全阀及压力表。空压机每运行8 h，储气罐需要放水，在调水运行时无法对空压机罐和贮能罐进行放水，存在安全隐患。在机组运行过程中，油、气系统连接闸阀、法兰较多，密封件长期承受高压容易老化，经常出现渗漏油现象，给维护、运行工作带来很大的不便，影响调水运行安全。

3）工作时间长。当调水指令要求的流量没发生改变时，水泵的叶片角度不变化，即原则上不需要变动叶片调节器的角度，原有的叶片调节器在主电动机和主水泵转动时，因叶片调节器的上、下轴承及上拉杆也随着主电动机轴转动，所以叶片调节器的工作时间与主电动机的工作时间也一样，新型的内置旋转式液压调节器的工作时间只有其工作时间的1/1 000～1/3 000。

4）水泵抬轴加重平面轴承损坏。水泵开机时，蜗壳内的水流非常紊乱，造成水泵机组经常产生抬轴现象，使泵轴产生向上的窜动力。由于原有的外供油机械式调节器的自身负载由主电动机的外壳承担，在运行时因机组振动而造成的向上蹿力，再加上平面轴承要同步跟随主电动机轴转动，因而极易发热和磨损，但却又无法改变，这样就更容易造成调节器平面轴承（即上、下轴承）的损坏。

5）无法实现远距离显示和远距离控制。由于这种调节机构无法设置“位移传感器”，也没有设置“数字显示仪表”，它只设置了一个叶片角度的“机械显示器”，因而无法实现叶片角度的“远距离显示”和调节叶片角度的“远距离控制”。

6）设备的维护保养不便。因叶片调节器的上拉杆、平面轴承、齿轮减速装置是和水泵机组同步高速运行的，会长期处于高温状态下，这样极易造成设备的润滑油液化，也极可能导致润滑油汽化，造成叶片调节器内的润滑油蒸发流失，而导致添加润滑油非常困难；加之平面轴承又很容易损坏；且设备体积大而笨重，拆、装都很不方便，故其维护保养十分不便，耗时费力。

2" 叶片调节器的发展、存在问题及解决办法

2.1" 叶片调节器的发展

原叶片调节机构属于二十世纪八十年代中期研发出来的产品，九十年代初期开始在国内大范围使用，至今已有三十多年的历史。这期间，国内水泵叶片调节机构的研发水平快速提高。一种新型的“免抬轴水泵叶片角度液压调节器”（即现在的“内置旋转式水泵叶片角度液压调节器”）出现以后，无论是其工作性能、还是产品质量，都得到了飞速提高。新型的叶片调节器于2009年11月获得了国家“大禹水利科学技术进步一等奖”。

目前，对这款“内置固定式机械调节器”进行维修或者大修的性价比已经很低，更换新调节器是最好的解决办法。

2.2" 对新型叶片调节器的调查研究

为解决原叶片调节机构存在的问题，保障工程运行安全，台儿庄泵站管理处在水泵机组大修时，决定同步对叶片调节机构进行改造。为更详细地了解叶片调节机构改造的技术过程和更好地掌握此套设备的操作及使用原理，管理处组织技术人员赴湖北拓宇水电科技股份有限公司实地考察了叶片调节机构改造工作情况，主要是了解机组活塞加工处理、调节器、机组小轴制作情况，并到车间实地参观加工、制作过程，见证了模拟试验场景（图3）。亲临参观学习对今后运行中操作和维护叶片调节机构有很大的意义，台儿庄泵站现已结合大修完成了4台机组叶片调节器的更新改造。

3" 新型叶片调节器的结构和工作原理

3.1" 新型叶片调节器的结构

新型叶片调节器的结构较简单、体积小，其主要由上面油箱、中间油缸和下面底座3部分组成。它们彼此用法兰连接，并通过调节器底盘安装在电机主轴的顶端和电机主轴同步旋转。外面加上调节器外罩予以保护（图4—6）。

3.2" 新型叶片调节器的工作原理

液压系统利用液压泵将电动机的机械能转换成为液体的压力能，通过液体压力的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件（液压缸）把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现活塞和调节杆的直线往复运动及叶片转轴的旋转运动，实现输水功能。

按液压元件的工作性质不同，系统主要分动力元件（油泵、动力机）、执行元件（油缸、活塞）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质5个部分。

3.2.1" 动力元件（油泵、动力机）

动力元件由油泵、伺服电机和减速机组成，装在液压调节器的油箱内，其作用是把电动机的机械能转换成液体的压能，它是液压传动中的动力部分。油泵供油系统由油箱、电动齿轮油泵及各种阀门、滤网、自动化元件构成。在调节叶片角度运行期间，供油系统连续运行，向液压油配给装置（叶片调节控制机构）提供足够的压力和流量，以便随时调节叶片角度。

注：1-水泵调节杆；2-安装盘；3-激光发射器；4-角度机械显示器；5-活塞杆；6-油缸下腔密封圈；7-活塞；8-锁紧螺母；9-上腔油管;10-油泵；11-油路板；12-油位传感器；13-液压站；14-电磁换向阀；15-电动机；16-轴承；17-供电滑环；18-上罩壳；19-止转板；20-卡槽；21-内罩壳；22-油箱；23-上腔压力传感器；24-下腔压力传感器；25-下腔油管；26-下罩壳；27-油缸；28-电源控制箱；29-工作座；30-激光位移传感器；31-联轴器法兰；32-电动机主轴；33-电动机上机架。

3.2.2" 执行元件（油缸、活塞）

执行元件由油缸、活塞和活塞杆组成，位于液压调节器的中部，其作用是将液体的压能转换成机械能，供下部的工作机构使用。其中，油缸内的活塞连同调节杆一起在系统内做直线往复运动。

3.2.3" 控制元件（各种阀）

控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。其作用是根据需要，无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行控制和调节。

该液压调节器设有电磁换向阀、液控单向阀和安全阀等，都装在液压调节器的油箱内，以实现对油泵的运行控制，如通过电信号命令电磁换向阀的启闭，从而控制上、下油管的进出油方向（对上调还是下调起控制作用）；高压油经过装置稳压后，经液控单向阀（相当于“液控锁”）进入油缸的上（下）油缸，下（上）油缸内的压力升高，推动活塞上（下）行。安全阀起安全保护作用，当系统压力超过规定值时可自行卸载，避免压力超高后损坏设备。

3.2.4" 辅助元件

除上述3部分以外的其他元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件各种管路接头（扩口式、焊接式、卡套式）、高压球阀、快换接头、软管总成、测压接头和管夹及油箱等，其把相关设备连在一起，分布在调节器的各个部位。如在油泵的吸油口处和回油路设有滤网，以保证油泵的稳定运行和寿命；在油泵的出口处装有压力表、压力开关、电磁阀、载荷阀、截止阀和止回阀，以便对油系统起监控和保护作用。

3.3" 新型叶片调节器的特点

3.3.1" 重量轻、体积小，采用上置式、内供油

采用上置式、内供油的液压系统，其与外面没有任何油路的联系，减少了管道、法兰等连接，减少了渗油点，运行时调节器本体随主电机转子同步旋转，其外观类似于机械式调节器，但其重量要只有机械调节器的1/10。

3.3.2" 结构布局合理，无需润滑油润滑，维护保养简单易行

新型叶片调节器的技术创新点如下。一是在活塞杆与调节杆的联轴器之间加装一块支撑板，取消活塞顶端连接杆，使旋转体内部结构得到合理布局。取消活塞顶端延伸杆的目的有3个：①减少油缸的一处对外开孔，使油缸由2个外泄“风险点”变为只有一个外泄“风险点”；②避免延伸杆占用油箱内的宝贵面积，尤其是避免它影响油箱内各元器件的整体布局；③简化旋转体内部结构，以减少旋转体内部维修保养工作量。

二是在油箱内设置一块油路板，有效改善了各元器件的安装使用条件，节约了大量油箱内的有效使用面积。新型调节器的油箱内设置了一块具有一定厚度的油路板。油路板表层（上端面）安装电动机及所有液压元器件和各种传感器设备；里层设置有各种油路通道，使液压元器件的输油管道相互连通。在油箱内设置了这块油路板以后，首先取消了电动机和元器件的各种安装支架；其次取消了所有紫铜管，使调节器结构变得更简单；最后油箱内的各个元器件得到了高度集成，大大节约了油箱内各元器件的使用空间，使其不仅能够满足布置足够大“源动力”的空间要求，还为调节器安装更多元器件腾出了一定的富余空间。

三是增设油缸下腔压力传感器，为及时排除设备故障提供可靠依据。在调节器工作时，能够随时掌握油缸下腔工作压力非常重要，是分析调节器产生故障原因的重要参数。由于我们在调节器的油箱内设置了一块油路板，使油箱有了富余面积安装更多传感元器件，以提高调节器自我感知和自我处置问题的能力。

四是增设油箱油位显示系统，即时了解油箱油位情况，为及时排除设备故障创造更多条件。

当油箱里的油位低于某一高度时，调节器就会因油泵泵不到油而调不动。过去要想观察油箱里的油位，必须拆除罩壳，还要拆除油箱盖板等。现在有了油位显示系统，油箱里的油位可以随时一目了然。

3.3.3" 密封性能好、无泄漏、对环境无影响

常用的液压调节由于采用的是外供油形式（液压站在外部），要想把外部的压力油供给主机旋转体内的油缸、活塞，就需要有一个由静态到动态输油的连接管件（受油器），此处存在一旋转缝隙，漏油问题不可避免，压力会降低，以致影响设备的调节力。有的为了补偿、增大该力，不得不加大油缸直径，但大的油缸体积，就限制了液压调节的使用范围。而新型液压调节器采用了内供油的形式，避免了上述问题，可以做到无泄漏，在调节器运行期间不需要补充油。但考虑其运行时间较长后，油质会下降，因此，适时地更换工作介质（换油），对于保证调节器的工作质量仍然是必需的。

3.3.4" 能够在中控室实现远程控制

现在的内置旋转式水泵叶片角度液压调节器，在其里面设置了位移传感器，它通过485接口可以在泵站中央控制室控制，调节灵活，使用方便。它既可以在泵站中央控制室调节和观察水泵运行的即时叶片角度，也可以在现地（水泵机组旁）调节和观察水泵运行的即时叶片角度，使用方便。

3.3.5" 解决了水泵运行中的抬轴问题

其最大的技术亮点，就是调节器的“着力点”不同。过去的调节器，其自重和调节器调节力的反作用力都是由主电动机的外罩壳承担（上置式）或者由主水泵轴承担（中置式）；现在的“内置旋转式水泵叶片角度液压调节器”，其自重和调节器调节力的反作用力都是由电动机主轴来承担，它平衡了水泵抬机现象对水泵、主电动机，特别是调节器平面轴承（即推力轴承）及其他零部件的影响。

改造后的叶片调节机构投入运行以来，台儿庄泵站水泵机组在过去的5个调水年度未出现任何影响运行安全的问题故障，减少了不必要的人力干预，提高了年度调水安全保证。新型叶片调节机构的使用，为南水北调工程后续的高质量发展提供了有力的技术保障。

参考文献：

[1] 朱晓奔.魏村泵站水泵叶片角度调节器改型论证[J].湖南水利水电，2018（1）：73-74.

[2] 陈文龙.免抬轴水泵叶片角度调节器在密云水库调蓄工程泵站改造中的应用[J].北京水务，2022（2）：66-70.

[3] 何效平.全调节水泵机构改造技术研究[J].江淮水利科技，2017（4）：43-45.

[4] 问泽杭，吉庆伟，莫兆祥.泵站水泵叶片调节系统压力油装置的技术改造[J].人民长江，2008（6），92-93.