大型豎井貫流泵主要應用在大型水利項目上，如防洪排澇、南水北調、淮水北調等大型項目，與國計民生息息相關，豎井貫流泵的安全穩(wěn)定運行至關重要。

常規(guī)的液壓全調節(jié)豎井貫流泵的反饋機構為位移傳感器轉換為電信號結構、內置于泵體部件的導葉體內，調葉機構為軸動式結構，即壓力油壓動活塞運動，活塞帶動連桿實現(xiàn)葉片的轉動。這種老式結構的全調節(jié)豎井貫流泵，在運行過程中，或多或少存在一些問題，如反饋機構的位移傳感器頻繁誤報信號、外供油系統(tǒng)根據(jù)誤報信號不停的調節(jié)葉片，至使得機組運行不穩(wěn)定，存在重大安全隱患。老式的液壓調節(jié)豎井貫流泵的調葉機構為軸動式結構，依靠活塞帶動連桿實現(xiàn)葉片的轉動，連桿直徑小，調葉機構調節(jié)不能鎖故調節(jié)機構，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際要求，設計開發(fā)一種新型液壓全調豎井貫流泵。主要特點優(yōu)特點是調葉機構為液壓缸動結構，即活塞缸帶動葉片轉動，而非活塞帶動葉片轉動，調節(jié)葉片角度。反饋機構為外置式反饋結構，反饋信號為可視化的機械指針信號，且有鎖固裝置。下面具體介紹南臺頭泵站工程，新型液壓全調節(jié)豎井貫流泵的相關情況。

浙江嘉興南臺頭排水泵站，設4臺3100ZGQ37.5-2.46型液壓全調節(jié)豎井貫流泵。水泵裝置設計揚程為2.46m，單泵設計流量為37.5m3/s，泵站設計總流量為150m3/s，水泵轉速n=128.9r/min。

同步電機通過齒輪箱減速箱與水泵連接。電機為交流、頻率50HZ、電壓10KV、轉速為1000r/min、功率為2500kW的同步電動機，型號為TBPKS710-6/2500KW/10KV/IP44。齒輪箱德國PIV原裝進口產(chǎn)品，型號為PC60-S55-V11-8-Z7，傳動比7.76，總傳動效率%≥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計運行工況，屬于低揚程、特大流量的泵站，同時揚程變化范圍較大，為確水泵在全揚程范圍的運行穩(wěn)定性，特別是確保水泵在最大揚程工作下不進入馬鞍型振動區(qū)，在最低揚程工況下也能穩(wěn)定運行。該泵站水泵采用南水北調工程TJ04-ZL-06模型，模型參數(shù)如下：

表1 模型泵技術參數(shù) [1]

3.2 原型性能

南臺頭泵站，進出水流道采用CFD技術進行流體數(shù)值計算和仿真分析，提出了進出水流道的最優(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)模型裝置驗收試驗，模型裝置最高效率達到80.84%，泵站最高效率大幅度降低運行成本。

根據(jù)該泵站的特征揚程、設計要求和裝置模型試驗成果，以及配套齒輪箱的實際速比7.76，按相似換算定律計算，確定原型水泵參數(shù)為：葉輪直徑3100mm，水泵轉速為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（設計角度-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,設計揚程H=2.46m，流量Q=37.5m3/s，裝置效率為67.5%，汽蝕余量Δhr=5.95m，滿足泵站設計流量的要求，汽蝕性能良好。

 ( 2 )泵裝置高效區(qū)在設計揚程H=2.46m和最高揚程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計合理。

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

（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計要求，并且保證水泵在全揚程范圍內安全穩(wěn)定運行。

3.3 水泵設計性能參數(shù)

表3性能參數(shù)表

4.1 機組總體布置

新型液壓全調節(jié)豎井貫流泵機組由進水流道（鋼襯）、出水流道（鋼襯）、水泵、齒輪箱、電機等組成，其中電機、齒輪箱，水泵的受油器（調節(jié)機構）、反饋機構、推力徑向組合軸承部件等布置在豎井內。請見下圖：

機組總體布置圖

機組總體布置圖（二維圖）

4.2 流道部分

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

   進水流道整體鋼模

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節(jié)豎井貫流泵機組，機組軸線水平臥式布置，采用高速電機驅動，齒輪箱減速傳動。水泵軸向推力由水泵推力軸承組承受，電機、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，都是一個相對獨立的單元。從進水側向出水方向看，水泵為逆時針方向旋轉。

電機采用6極高速同步電機，以減小電機徑向尺寸，適應布置在豎井內。電機采用空水冷卻方式，降低豎井內的噪音和溫度。

齒輪箱采用德國原裝進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。

水泵導軸承采用稀油潤滑的巴氏合金滑動軸承，采用高位油箱稀油潤滑。

葉片調節(jié)采用水輪機行業(yè)貫流機組的槳葉調節(jié)技術，采用軸上受油的油壓調節(jié)機構，帶機械反饋信號的反饋裝置，接力器采用缸動結構。

5.1 水泵總體結構概述

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

水泵總體結構圖

表4 水泵總體結構說明

5.2 轉輪部件

葉輪是整個水泵機組的心臟，是能量轉換的執(zhí)行部件，其設計及加工工藝合理性關系到整個泵站的性能。在南臺頭排水泵站中，葉輪型式采用液壓全調節(jié)結構。

轉輪部件圖1

轉輪部件圖2

葉片材質為ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼；葉片型面采用五軸聯(lián)動數(shù)控龍門銑加工，加工后采用三坐標自動激光掃描測量儀進行翼型檢測，確保葉片型面制造與設計完全一致。葉輪座為ZG310-570整體鑄造，采用樹脂砂造型工藝，提高其鑄造質量，采用退火處理消除鑄造熱應力，采用數(shù)控加工，確保葉片與轉輪體裝配精確、間隙均勻。葉片密封采用多道“V”型密封技術，確保葉輪不漏油，葉輪內不進水、不銹蝕，保證葉片調節(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，具有足夠的強度和剛度，調質處理，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行拋磨加工，軸承檔表面粗糙度可達到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，以便調整泵軸與齒輪箱軸的同心度。泵軸進行超聲波探傷檢查，確保泵軸無內部缺陷。

泵軸部件圖

5.4 導軸承部件

水泵的導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，導軸承潤滑采用高位油箱稀油潤滑，簡單實用，便于管理，潤滑油由外部油箱通過導葉片內的孔注入軸承內部，并設有瓦溫和油溫的溫度監(jiān)測。軸承體為軸向分半結構，軸瓦與軸承體采用球面接觸，使軸瓦在軸承體內可以軸向擺動具有自調功能。

導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封油，外面兩只油封開口向外封水，在最外面設置一道防泥沙密封，骨架油封采用整體結構，保證密封可靠，能有效防止軸承進水和潤滑油外泄。導軸承密封裝置還設有空氣回帶密封，在停機期間通入壓縮空氣，采用空氣回帶來密封，保證泵體內的水不進入軸承腔，保護軸承。在兩道油封之間設有集水腔并有排水管引出泵體外，防止密封件損壞后漏水，能及時排出漏水。

導軸承部件圖（二維圖）

導軸承部件圖（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立的推力軸承箱內，主要承受水泵運行時的水推力、轉動部分重力及徑向力。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構；推力軸承、徑向軸承采用進口的SKF調心滾子軸承，組合軸承具有自動調心功能，提高機組運行穩(wěn)定性；采用油浴潤滑，循環(huán)水冷卻，并設有溫度監(jiān)測，軸承兩端均設有骨架密封。軸徑向組合軸承采用的是滾動軸承,水泵啟動前不需要頂起泵軸裝置。

5.6 泵體部件

泵體部件由預埋筒、進口底座、進口伸縮節(jié)、葉輪外殼、導葉體、出口底座等零件組成，都是大型薄壁件，進、出水底座是水泵的基礎零件，需埋入混凝土中，采用整體結構。導葉體兩側下部設置安裝支腳，主要承受泵體的重量、轉動部分重量和徑向載荷；葉輪外殼和導葉體 為上下分半結構，方便水泵安裝、檢修。為考慮大零部件的安裝、檢修及移動困難等問題，在進口設伸縮管；所有大部件都合理的設有吊裝孔，吊裝孔的布置均考慮零件的平衡穩(wěn)定性。

泵體部件圖

液壓全調節(jié)機構由受油器、操作油管、接力器和操作機構、反饋機構、調節(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孔中的內、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瓦結構，軸瓦材料為巴氏合金，軸瓦可以隨泵軸的擺動而浮動，浮動量為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)等全部采用分半結構，不需要解體泵軸就可以方便進行檢修維護。

（2）操作油管：由內、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、外操作油管分別與葉輪接力器的開、關腔相通，由調節(jié)器控制引入壓力油調節(jié)葉片角度；中間油管為輪轂油的回油管同時也是反饋桿，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，使輪轂體內的油壓總是稍高于流道中的水壓力，這樣能夠防止水進入輪轂腔內。

（3）接力器和操作機構：接力器和操作機構布置在葉輪內，轉輪接力器采用活塞固定，油缸移動的方式，操作油管只隨泵軸一起旋轉，不產(chǎn)生相對的軸向運動，這樣，一方面簡化了結構，提高了密封的可靠性；另外，不會因為臥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)象而造成調節(jié)卡阻等困難，保證調節(jié)穩(wěn)定、可靠。接力器通過泵軸內操作油管，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構相聯(lián)接，通過接力器的移動帶動操作架、連桿運動，拐臂帶動葉片發(fā)生旋轉，從而使葉片角度發(fā)生改變。

（4）反饋裝置：反饋裝置設置在泵軸上,反饋桿連接在接力器缸上，通過設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換為角位移，通過扇形輪和角位移器傳出葉片轉動信號。采用扇形輪和角位器的電氣反饋方式，提高葉片調節(jié)精度和調節(jié)速動性。

（5）調節(jié)器：調節(jié)器由步進電機傳動裝置、分配閥、傳遞杠杠、返饋機構等部套組成。操作壓力為：4.0MPa。調節(jié)器采用步進電機帶動連桿控制分配閥的調節(jié)機構，具有結構簡單，控制精確，運行可靠，維護量小的特點。該項技術已在水泵葉片調節(jié)裝置與水輪機調速器中得到廣泛運用。

液壓全調節(jié)機構示意圖

液壓全調節(jié)機構示意圖

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

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