大型豎井貫流泵主要應(yīng)用在大型水利項(xiàng)目上，如防洪排澇、南水北調(diào)、淮水北調(diào)等大型項(xiàng)目，與國計(jì)民生息息相關(guān)，豎井貫流泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

常規(guī)的液壓全調(diào)節(jié)豎井貫流泵的反饋機(jī)構(gòu)為位移傳感器轉(zhuǎn)換為電信號結(jié)構(gòu)、內(nèi)置于泵體部件的導(dǎo)葉體內(nèi)，調(diào)葉機(jī)構(gòu)為軸動(dòng)式結(jié)構(gòu)，即壓力油壓動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞帶動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種老式結(jié)構(gòu)的全調(diào)節(jié)豎井貫流泵，在運(yùn)行過程中，或多或少存在一些問題，如反饋機(jī)構(gòu)的位移傳感器頻繁誤報(bào)信號、外供油系統(tǒng)根據(jù)誤報(bào)信號不停的調(diào)節(jié)葉片，至使得機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，存在重大安全隱患。老式的液壓調(diào)節(jié)豎井貫流泵的調(diào)葉機(jī)構(gòu)為軸動(dòng)式結(jié)構(gòu)，依靠活塞帶動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿直徑小，調(diào)葉機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)不能鎖故調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，存在卡死隱患。

針對上述問題，為了從根本上解決常規(guī)液壓全調(diào)節(jié)豎井貫流泵存在的不足。根據(jù)浙江嘉興南臺頭泵站工程實(shí)際要求，設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型液壓全調(diào)豎井貫流泵。主要特點(diǎn)優(yōu)特點(diǎn)是調(diào)葉機(jī)構(gòu)為液壓缸動(dòng)結(jié)構(gòu)，即活塞缸帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，而非活塞帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)葉片角度。反饋機(jī)構(gòu)為外置式反饋結(jié)構(gòu)，反饋信號為可視化的機(jī)械指針信號，且有鎖固裝置。下面具體介紹南臺頭泵站工程，新型液壓全調(diào)節(jié)豎井貫流泵的相關(guān)情況。

浙江嘉興南臺頭排水泵站，設(shè)4臺3100ZGQ37.5-2.46型液壓全調(diào)節(jié)豎井貫流泵。水泵裝置設(shè)計(jì)揚(yáng)程為2.46m，單泵設(shè)計(jì)流量為37.5m3/s，泵站設(shè)計(jì)總流量為150m3/s，水泵轉(zhuǎn)速n=128.9r/min。

同步電機(jī)通過齒輪箱減速箱與水泵連接。電機(jī)為交流、頻率50HZ、電壓10KV、轉(zhuǎn)速為1000r/min、功率為2500kW的同步電動(dòng)機(jī)，型號為TBPKS710-6/2500KW/10KV/IP44。齒輪箱德國PIV原裝進(jìn)口產(chǎn)品，型號為PC60-S55-V11-8-Z7，傳動(dòng)比7.76，總傳動(dòng)效率%≥98%。每臺水泵出口采用快速閘門+小拍門的斷流方式。

3.1 模型及模型裝置性能

根據(jù)浙江嘉興南臺頭泵站的設(shè)計(jì)運(yùn)行工況，屬于低揚(yáng)程、特大流量的泵站，同時(shí)揚(yáng)程變化范圍較大，為確水泵在全揚(yáng)程范圍的運(yùn)行穩(wěn)定性，特別是確保水泵在最大揚(yáng)程工作下不進(jìn)入馬鞍型振動(dòng)區(qū)，在最低揚(yáng)程工況下也能穩(wěn)定運(yùn)行。該泵站水泵采用南水北調(diào)工程TJ04-ZL-06模型，模型參數(shù)如下：

表1 模型泵技術(shù)參數(shù) [1]

3.2 原型性能

南臺頭泵站，進(jìn)出水流道采用CFD技術(shù)進(jìn)行流體數(shù)值計(jì)算和仿真分析，提出了進(jìn)出水流道的最優(yōu)方案，改善水流流態(tài)，減少流道水力損失，提高泵裝置效率。根據(jù)模型裝置驗(yàn)收試驗(yàn)，模型裝置最高效率達(dá)到80.84%，泵站最高效率大幅度降低運(yùn)行成本。

根據(jù)該泵站的特征揚(yáng)程、設(shè)計(jì)要求和裝置模型試驗(yàn)成果，以及配套齒輪箱的實(shí)際速比7.76，按相似換算定律計(jì)算，確定原型水泵參數(shù)為：葉輪直徑3100mm，水泵轉(zhuǎn)速為128.9r/min，原型泵裝置性能如下表：

表2  原型泵裝置性能參數(shù)表（設(shè)計(jì)角度-2°）[2]

由原型裝置性能曲線說明:

（1）原型泵裝置在葉片安放角-2o,設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=2.46m，流量Q=37.5m3/s，裝置效率為67.5%，汽蝕余量Δhr=5.95m，滿足泵站設(shè)計(jì)流量的要求，汽蝕性能良好。

 ( 2 )泵裝置高效區(qū)在設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=2.46m和最高揚(yáng)程H=5.63m的中間，高效區(qū)寬，-8o～+2o各角度的最高裝置效率均在79%以上，最高裝置效率為80.84%（-4o），泵裝置的綜合水力性能優(yōu)良，說明水泵選型和流道設(shè)計(jì)合理。

（3）原型泵裝置馬鞍區(qū)峰點(diǎn)最低揚(yáng)程6.36m比泵站最大揚(yáng)程5.63m高0.73米，滿足泵站最大揚(yáng)程安全運(yùn)行要求。

（4）原型泵裝置汽蝕余量較小，滿足水泵葉輪安裝高程的要求。

（5）水泵綜合性能滿足南臺頭排水泵站的設(shè)計(jì)要求，并且保證水泵在全揚(yáng)程范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 水泵設(shè)計(jì)性能參數(shù)

表3性能參數(shù)表

4.1 機(jī)組總體布置

新型液壓全調(diào)節(jié)豎井貫流泵機(jī)組由進(jìn)水流道（鋼襯）、出水流道（鋼襯）、水泵、齒輪箱、電機(jī)等組成，其中電機(jī)、齒輪箱，水泵的受油器（調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)）、反饋機(jī)構(gòu)、推力徑向組合軸承部件等布置在豎井內(nèi)。請見下圖：

機(jī)組總體布置圖

機(jī)組總體布置圖（二維圖）

4.2 流道部分

液壓全調(diào)節(jié)豎井貫流泵機(jī)組從進(jìn)水到出水方向是軸向貫通，進(jìn)、出水流道為水平直進(jìn)直出，沒有拐彎，流道平直對稱，水流流態(tài)平穩(wěn)，水力損失較小，而且揚(yáng)程越低，貫流泵裝置效率高的優(yōu)勢越明顯。流道鋼襯嚴(yán)格按照泵站流道CFD水力優(yōu)化研究成果進(jìn)行設(shè)計(jì)，泵站采用全域鋼襯結(jié)構(gòu)，流道金屬模板采用Q235B鋼材，并設(shè)加強(qiáng)筋板和環(huán)向錨筋。

   進(jìn)水流道整體鋼模

出水流道整體鋼模

4.3 水泵部分

南臺頭排水泵站采用全調(diào)節(jié)豎井貫流泵機(jī)組，機(jī)組軸線水平臥式布置，采用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪箱減速傳動(dòng)。水泵軸向推力由水泵推力軸承組承受，電機(jī)、齒輪箱、水泵之間采用齒式聯(lián)軸器柔性連接，相互之間只有扭矩傳遞，沒有其他力的傳遞，都是一個(gè)相對獨(dú)立的單元。從進(jìn)水側(cè)向出水方向看，水泵為逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

電機(jī)采用6極高速同步電機(jī)，以減小電機(jī)徑向尺寸，適應(yīng)布置在豎井內(nèi)。電機(jī)采用空水冷卻方式，降低豎井內(nèi)的噪音和溫度。

齒輪箱采用德國原裝進(jìn)口的上下平行軸齒輪箱，采用稀油外循環(huán)潤滑、外加循環(huán)水冷卻方式。

水泵軸向推力由水泵的推力徑向組合軸承承受，采用稀油潤滑，外加循環(huán)水冷卻。

水泵導(dǎo)軸承采用稀油潤滑的巴氏合金滑動(dòng)軸承，采用高位油箱稀油潤滑。

葉片調(diào)節(jié)采用水輪機(jī)行業(yè)貫流機(jī)組的槳葉調(diào)節(jié)技術(shù)，采用軸上受油的油壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，帶機(jī)械反饋信號的反饋裝置，接力器采用缸動(dòng)結(jié)構(gòu)。

5.1 水泵總體結(jié)構(gòu)概述

水泵主要由葉輪部件、泵軸部件、導(dǎo)軸承部件、泵體部件、泵軸密封部件、推力軸承部件等組成。

水泵總體結(jié)構(gòu)圖

表4 水泵總體結(jié)構(gòu)說明

5.2 轉(zhuǎn)輪部件

葉輪是整個(gè)水泵機(jī)組的心臟，是能量轉(zhuǎn)換的執(zhí)行部件，其設(shè)計(jì)及加工工藝合理性關(guān)系到整個(gè)泵站的性能。在南臺頭排水泵站中，葉輪型式采用液壓全調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)輪部件圖1

轉(zhuǎn)輪部件圖2

葉片材質(zhì)為ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼；葉片型面采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控龍門銑加工，加工后采用三坐標(biāo)自動(dòng)激光掃描測量儀進(jìn)行翼型檢測，確保葉片型面制造與設(shè)計(jì)完全一致。葉輪座為ZG310-570整體鑄造，采用樹脂砂造型工藝，提高其鑄造質(zhì)量，采用退火處理消除鑄造熱應(yīng)力，采用數(shù)控加工，確保葉片與轉(zhuǎn)輪體裝配精確、間隙均勻。葉片密封采用多道“V”型密封技術(shù)，確保葉輪不漏油，葉輪內(nèi)不進(jìn)水、不銹蝕，保證葉片調(diào)節(jié)靈活可靠?！癡”型密封由彈簧和油壓雙重壓力使其張緊，保證與葉片的密合。

5.3 泵軸部件

水泵泵軸采用20SiMn整體鍛造而成，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，調(diào)質(zhì)處理，軸頸部位采用堆焊3Cr13不銹鋼，以提高軸頸部位表面硬度HRC=45～50，軸頸部位采用專用磨頭進(jìn)行拋磨加工，軸承檔表面粗糙度可達(dá)到Ra0.8，提高其硬度和耐磨性，不銹鋼層厚度不小于10mm，加工精度不低于h7，法蘭與軸心的垂直度不低于7級；泵軸通過法蘭與轉(zhuǎn)子體相聯(lián)，后端通過聯(lián)軸器與齒輪箱軸相聯(lián)，聯(lián)軸器之間軸向留有間隙，以便調(diào)整泵軸與齒輪箱軸的同心度。泵軸進(jìn)行超聲波探傷檢查，確保泵軸無內(nèi)部缺陷。

泵軸部件圖

5.4 導(dǎo)軸承部件

水泵的導(dǎo)軸承采用船用艉軸巴氏合金稀油潤滑軸承；軸瓦材料采用巴氏合金軸承材料，導(dǎo)軸承潤滑采用高位油箱稀油潤滑，簡單實(shí)用，便于管理，潤滑油由外部油箱通過導(dǎo)葉片內(nèi)的孔注入軸承內(nèi)部，并設(shè)有瓦溫和油溫的溫度監(jiān)測。軸承體為軸向分半結(jié)構(gòu)，軸瓦與軸承體采用球面接觸，使軸瓦在軸承體內(nèi)可以軸向擺動(dòng)具有自調(diào)功能。

導(dǎo)軸承密封采用成熟可靠的船用艉軸密封+空氣回帶密封，三道骨架油封，里邊一只油封開口向內(nèi)封油，外面兩只油封開口向外封水，在最外面設(shè)置一道防泥沙密封，骨架油封采用整體結(jié)構(gòu)，保證密封可靠，能有效防止軸承進(jìn)水和潤滑油外泄。導(dǎo)軸承密封裝置還設(shè)有空氣回帶密封，在停機(jī)期間通入壓縮空氣，采用空氣回帶來密封，保證泵體內(nèi)的水不進(jìn)入軸承腔，保護(hù)軸承。在兩道油封之間設(shè)有集水腔并有排水管引出泵體外，防止密封件損壞后漏水，能及時(shí)排出漏水。

導(dǎo)軸承部件圖（二維圖）

導(dǎo)軸承部件圖（三維圖）

5.5 推力徑向組合軸承部件

水泵徑向組合軸承安裝在獨(dú)立的推力軸承箱內(nèi)，主要承受水泵運(yùn)行時(shí)的水推力、轉(zhuǎn)動(dòng)部分重力及徑向力。三維模型圖如下圖。

推力徑向組合軸承部件的三維模型

主要有軸承體、軸承壓蓋、軸套、推力軸承、徑向軸承及骨架密封組成；軸承體為軸向分半結(jié)構(gòu)；推力軸承、徑向軸承采用進(jìn)口的SKF調(diào)心滾子軸承，組合軸承具有自動(dòng)調(diào)心功能，提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性；采用油浴潤滑，循環(huán)水冷卻，并設(shè)有溫度監(jiān)測，軸承兩端均設(shè)有骨架密封。軸徑向組合軸承采用的是滾動(dòng)軸承,水泵啟動(dòng)前不需要頂起泵軸裝置。

5.6 泵體部件

泵體部件由預(yù)埋筒、進(jìn)口底座、進(jìn)口伸縮節(jié)、葉輪外殼、導(dǎo)葉體、出口底座等零件組成，都是大型薄壁件，進(jìn)、出水底座是水泵的基礎(chǔ)零件，需埋入混凝土中，采用整體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)葉體兩側(cè)下部設(shè)置安裝支腳，主要承受泵體的重量、轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量和徑向載荷；葉輪外殼和導(dǎo)葉體 為上下分半結(jié)構(gòu)，方便水泵安裝、檢修。為考慮大零部件的安裝、檢修及移動(dòng)困難等問題，在進(jìn)口設(shè)伸縮管；所有大部件都合理的設(shè)有吊裝孔，吊裝孔的布置均考慮零件的平衡穩(wěn)定性。

泵體部件圖

液壓全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由受油器、操作油管、接力器和操作機(jī)構(gòu)、反饋機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)器等零部件組成，具體情況如下：

（1）受油器：受油器安裝在泵軸上, 通過泵軸上的接油孔與泵軸內(nèi)孔中的內(nèi)、外操作油管相聯(lián)接。為防止泵軸撓度對軸瓦間隙的影響，受油器軸瓦采用多道浮動(dòng)瓦結(jié)構(gòu)，軸瓦材料為巴氏合金，軸瓦可以隨泵軸的擺動(dòng)而浮動(dòng)，浮動(dòng)量為2mm，可以保證泵軸與軸瓦之間的間隙均勻、一致，減少漏油；受油器部件中的軸瓦、密封環(huán)等全部采用分半結(jié)構(gòu)，不需要解體泵軸就可以方便進(jìn)行檢修維護(hù)。

（2）操作油管：由內(nèi)、外操作油管和反饋回油管組成，操作油管的材料為不銹鋼無縫鋼管。內(nèi)、外操作油管分別與葉輪接力器的開、關(guān)腔相通，由調(diào)節(jié)器控制引入壓力油調(diào)節(jié)葉片角度；中間油管為輪轂油的回油管同時(shí)也是反饋桿，與輪轂高位油箱相連接，高位油箱安裝高度大于最高出水位，使輪轂體內(nèi)的油壓總是稍高于流道中的水壓力，這樣能夠防止水進(jìn)入輪轂腔內(nèi)。

（3）接力器和操作機(jī)構(gòu)：接力器和操作機(jī)構(gòu)布置在葉輪內(nèi)，轉(zhuǎn)輪接力器采用活塞固定，油缸移動(dòng)的方式，操作油管只隨泵軸一起旋轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生相對的軸向運(yùn)動(dòng)，這樣，一方面簡化了結(jié)構(gòu)，提高了密封的可靠性；另外，不會因?yàn)榕P式水泵的操作油管與泵軸很長產(chǎn)生擾度，相互之間產(chǎn)生“憋勁”現(xiàn)象而造成調(diào)節(jié)卡阻等困難，保證調(diào)節(jié)穩(wěn)定、可靠。接力器通過泵軸內(nèi)操作油管，與位于泵軸上的受油器相通傳遞油壓，接力器缸與葉片操作機(jī)構(gòu)相聯(lián)接，通過接力器的移動(dòng)帶動(dòng)操作架、連桿運(yùn)動(dòng)，拐臂帶動(dòng)葉片發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使葉片角度發(fā)生改變。

（4）反饋裝置：反饋裝置設(shè)置在泵軸上,反饋桿連接在接力器缸上，通過設(shè)在泵軸中間的反饋桿與反饋裝置聯(lián)接，反饋裝置把接力器缸的軸向位移轉(zhuǎn)換為角位移，通過扇形輪和角位移器傳出葉片轉(zhuǎn)動(dòng)信號。采用扇形輪和角位器的電氣反饋方式，提高葉片調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)速動(dòng)性。

（5）調(diào)節(jié)器：調(diào)節(jié)器由步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)裝置、分配閥、傳遞杠杠、返饋機(jī)構(gòu)等部套組成。操作壓力為：4.0MPa。調(diào)節(jié)器采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)連桿控制分配閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，控制精確，運(yùn)行可靠，維護(hù)量小的特點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)已在水泵葉片調(diào)節(jié)裝置與水輪機(jī)調(diào)速器中得到廣泛運(yùn)用。

液壓全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

液壓全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

浙江嘉興南臺頭排水泵站3100ZGQ37.5-2.46型液壓全調(diào)節(jié)豎井貫流泵的開發(fā)，無論從性能還是機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)和輔助設(shè)備的選型配置均符合項(xiàng)目的要求，工程應(yīng)用廣泛，泵站建成后發(fā)揮應(yīng)有的作用。

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