本发明属于流体机械技术领域，涉及一种水泵及水轮机的叶片角度调节装置，具体地说涉及一种可在役调控水泵叶片角度的机械式调节装置，更具体地说涉及一种无须专门调节电机亦可实现在役调控水泵叶片角度的机械式调节装置。
背景技术：
众所周知，各种具有叶片(也叫桨叶)结构的水泵或水轮机，它们的工作效率与其叶片的角度亦即“攻角”密切相关。通常，对应着水泵不同的运行工况，有且必有一个最优的叶片角度，使得水泵在该叶片角度下运行时能够获取到最优的水能效率。显然，若能依照江湖水位、季节变化和水文状况等不同运行环境来实时地调控叶片的工作角度，将能优化水泵排量的输出特性并能节约大量的电费。故此，现有大型水泵及其机组无一例外地配置有用以调节叶片角度的机构或装置，以期在水泵运行时能够根据具体情况在役调控叶片的角度而获得最优的工作效率。
当前，叶轮直径在1.5m至3m的水泵普遍采用机械式调节机构去实现叶片角度的不停机调节，其通用做法是通过一个调节电机和减速机构去驱动一个螺母螺杆副，借助螺母螺杆副来驱动与水泵桨叶相联接的调节拉杆，以此达成调控水泵叶片攻角的目的。这类调节机构的优点是能够实现自锁，因此锁机性能好，另外叶片角度控制既稳定且又可靠，故机械式叶片角度调节机构一直沿用至今而不衰。
但是，传统机械式调节装置必须借助专门的调节电机来做为其运行机构的动力，由此带来的缺陷和隐患是明显的，主要是：①采用调节电机后会致使调节机构抵抗水泵抬轴冲击能力下降，盖因调节电机传递动力的需要，使得机构的螺母螺杆副支撑结构不尽合理，支撑环节多受力传承链长，致使装置的整体刚度很弱，换言之传统的布局方案很难抵御水泵的“抬轴”冲击力，以致调节装置存在被顶开和掀翻的“炸机”事故隐患；②采用调节电机后会致使调节机构体积变得庞大，众所周知，调节电机的存在必然占据一定的空间，故传统机械式调节装置的体积十分之庞大，尤其在高度方向更是凭空高出一个电机的尺寸(大约占掉装置整机高度的五分之一到四分之一)，如此状况不仅不够紧凑，而且也给装置的起运、安装和维护带来困难；③采用调节电机后致使调节机构的受电系统变得更加复杂，由于调节电机的存在而需要单独给其供电，额外的供电与受电系统使得机构的控制环节显著增多，尤其对于那些随动电机型的调节机构，更因为电机的本体乃一直跟随水泵一起旋转，因此必须采用电刷电环的受电方式，以至于其供电的可靠性较差。
综上，现有包含有调节电机方案的水泵叶片角度调节机构尚存在有需要进一步改进与提升的空间。
技术实现要素：
针对目前机械式水泵叶片角度调节装置所存在的问题，本发明提出一种免电机调节型水泵叶片角度在役调节机构，目的在于：通过改进机构核心部件的支承布局以提高调节机构抵御水泵抬轴冲击的能力，同时通过改变调节机构的驱动形式及优化布局结构，一方面减少机构的总体高度尺寸以实现调节机构的紧凑设计，另一方面有效简化机构驱动装置控制的复杂度以提高调节机构的可靠性。
本发明的目的是这样予以实现的：一种免电机调节型水泵叶片角度在役调节机构，包括调节机构本体、调节螺母和调节螺杆，所述调节机构本体可以围绕其自身的回旋轴线作定轴回转运动，所述调节螺母及调节螺杆与调节机构本体同轴设置，调节螺母与调节螺杆采用螺旋构造配合并组成一个螺旋运动副，调节螺母可驱使调节螺杆产生轴向位移运动；其特征在于：设置有一个承力盖座，该承力座盖紧固连接在调节机构本体上、或者该承力座盖与调节机构本体为一体结构制作；设置有一个承力轴肩，该承力轴肩紧固连接在调节螺母上、或者该承力轴肩与调节螺母为一体结构制作，承力轴肩包含有上承力面和下承力面，其中下承力面与调节机构本体存在有相互承力的关系、上承力面与承力盖座存在有相互承力的关系，在调节机构本体与承力盖座的共同约束下调节螺母只能作围绕其本身轴线的转动而不能作沿着其轴线的移动，所述调节螺母相对于调节机构本体可以有正转、反转和静止三种运行状态；设置有与调节机构本体同轴布局的一个第一中心齿轮、一个第二中心齿轮和一个第三中心齿轮，所述第一中心齿轮配接在调节机构本体上并受调节机构本体所驱动、或者该第一中心齿轮与调节机构本体为一体结构制作；设置有与调节机构本体同轴布局的接力杆，该接力杆配接在调节螺母上、或者该接力杆与调节螺母为一体结构制作，所述接力杆可驱使调节螺母运转，所述第二中心齿轮和第三中心齿轮均配接在接力杆上或者它们与接力杆为一体结构制作，第二中心齿轮和第三中心齿轮均可驱动调节螺母运转；设置有一个静止不动的座架和至少一根副轴，所述副轴全部可转动地安装在座架上，其中在每一根副轴上均配接有一个一号齿轮、套装有一个二号齿轮、套装有一个三号齿轮，并且一号齿轮与第一中心齿轮保持常啮合、二号齿轮与第二中心齿轮保持常啮合、三号齿轮与第三中心齿轮保持常啮合；此外在每一根副轴上还配置有一个二号离合器和一个三号离合器，其中二号离合器负责决定二号齿轮是否与该副轴对接联动、三号离合器负责决定三号齿轮是否与该副轴对接联动，二号离合器与三号离合器在同一时刻上的工作状态符合并必取且只取以下三种逻辑关系中的一种：二号离合器断开且同时三号离合器亦断开、二号离合器接合但同时三号离合器为断开、二号离合器断开但同时三号离合器为接合；在所有的副轴上均同时发生并呈现相同的动作：所有的二号离合器它们均取相一致的工作状态、与此同时所有的三号离合器它们亦取相互一致的工作状态，一号齿轮受第一中心齿轮常态驱使运转并进而由该一号齿轮常态驱动副轴运转、二号离合器接合时二号齿轮获得副轴的驱动而运转并进而由该二号齿轮驱使第二中心齿轮运转、三号离合器接合时三号齿轮获得副轴的驱动而运转并进而由该三号齿轮驱使第三中心齿轮运转，由第一中心齿轮的齿数与一号齿轮的齿数之比获得第一速比、由二号齿轮的齿数与第二中心齿轮的齿数之比获得第二速比、由三号齿轮的齿数与第三中心齿轮的齿数之比获得第三速比，所述的第一速比与第二速比的乘积其数值大于一、所述的第一速比与第三速比的乘积其数值小于一。
进一步，上述调节螺母承力轴肩的下承力面与调节机构本体之间设置有主推力轴承。
进一步，上述调节螺母承力轴肩的上承力面与承力盖座之间设置有副推力轴承。
进一步，上述的承力盖座与副推力轴承之间设置有缓冲垫片。
进一步，上述的承力盖座与缓冲垫片之间设置有一个波形弹簧。
上述的调节螺母与调节机构本体之间设置有下定位轴承和上定位轴承。
上述的第一中心齿轮与一号齿轮齿数之和等于第二中心齿轮与二号齿轮齿数之和并等于第三中心齿轮与三号齿轮齿数之和。
上述的第二中心齿轮的齿数比第一中心齿轮的齿数少一个、第三中心齿轮的齿数比一号齿轮的齿数多一个。
上述的第一中心齿轮、第二中心齿轮和第三中心齿轮具有相同数目的齿数。
上述的二号齿轮的齿数比一号齿轮的齿数多一个、三号齿轮的齿数比一号齿轮的齿数少一个。
上述的一号齿轮、二号齿轮和三号齿轮具有相同数目的齿数。
上述的第二中心齿轮的齿数比第一中心齿轮的齿数少一个、第三中心齿轮的齿数比第一中心齿轮的齿数多一个。
本发明相比现有技术具有的突出优点是：本调节机构免除掉传统机械式调节装置的驱动电机，一方面减少了机构的总体高度尺寸实现了调节机构的紧凑设计，另一方面简化了机构驱动装置控制的复杂度从而提高了调节机构的可靠性，特别地采用调节机构本体与承力盖座一起共同夹持调节螺母承力轴肩的结构，大大增强了支撑刚度并缩短了抬轴冲击顶撞力的传递路径，有效提高了调节机构抵御水泵抬轴冲击的破坏的能力，籍此可有效防范抬轴冲击带来的炸机隐患。
附图说明
图1是本发明一种免电机调节型水泵叶片角度在役调节机构的剖视图。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明作进一步描述，参见图1：
一种免电机调节型水泵叶片角度在役调节机构，包括调节机构本体1、调节螺母2和调节螺杆3，所述调节机构本体1可以围绕其自身的回旋轴线o1作定轴回转运动，所述调节螺母2及调节螺杆3与调节机构本体1同轴设置，调节螺母2与调节螺杆3采用螺旋构造配合并组成一个螺旋运动副，调节螺母2可驱使调节螺杆3产生轴向位移运动,其中调节机构本体1可以安装在水泵主电机转子的空心轴上并接受其驱动而转动，而调节叶片角度的调节拉杆则穿越水泵主电机转子的空心轴然后与本调节机构的调节螺杆3进行联接(图中未示出)，当调节螺母2驱使调节螺杆3产生轴向位移时该调节螺杆3将提拉或者压推调节拉杆作出轴向位移，并籍此调控水泵叶片的工作角度；在这里，调节机构本体1的结构既可以是一个整体构件(图中未示出)、也可以是由若干个零部件配装起来而构成的组合件(如图1所示)，包括焊接、铆接、螺接、卡接、粘接乃至叠摞等方式构成的组合件，当调节机构本体1采用整体结构时将获得很好的刚性、而当调节机构本体1采用组合件的结构形式时将有利于灵活设计、灵活制造和灵活安装其它零部件；本发明中调节螺母2与调节螺杆3所组成螺旋运动副的螺旋构造可以是现有技术中的各种形式，包括螺纹构造、螺杆构造、丝杆构造等等，其中调节螺母2与调节螺杆3所组成的螺旋运动副以具备自锁功能为最佳；需要指出的是，本发明的调节机构既包括为水泵的叶片角度调节装置、也包括为各种水轮机的叶片角度调节装置、还包括为拥有桨叶作为工作单元并需要调节其攻角的其它流体机械中的叶片调节装置；本发明的一大特色在于：设置有一个承力盖座4，该承力座盖4紧固连接在调节机构本体1上(如图1所示)、或者该承力座盖4与调节机构本体1为一体结构制作(图中未示出)，承力盖座4跟随调节机构本体1一起作围绕回旋轴线o1的同步回转运动；设置有一个承力轴肩5，该承力轴肩5紧固连接在调节螺母2上(图中未示出)、或者该承力轴肩5与调节螺母2为一体结构制作(如图1所示)，承力轴肩5包含有上承力面5a和下承力面5b，其中下承力面5b与调节机构本体1存在有相互承力的关系、上承力面5a与承力盖座4存在有相互承力的关系，所谓相互承力是指它们之间存在有作用力的传递关联关系，比如承力轴肩5向下的载荷力及重力它们的全部或者部分经由其下承力面5b作用到调节机构本体1上，其作用方式包括下承力面5b直接接触压靠在调节机构本体1上(此时承力轴肩5与调节机构本体1事实上构成了一副止推滑动轴承副，图中未示出)，除此之外，作用方式还包括下承力面5b通过轴瓦构件(图中未示出)或者通过主推力轴承6(如图1所示)间接地压靠在调节机构本体1之上；本发明设置承力盖座4的好处是一方面可以对调节螺母2实施定位和预紧以增强配合件和连接件的整体刚性、另一方面还可以有效抵御“抬轴”冲击(抬轴是水泵叶片在某些运转工况下出现调节拉杆向上顶冲的现象)，而上承力面5a与承力盖座4存在有相互承力关系正好可以对付上述各种情形发生时作用力的传递与承载，此外设置承力盖座4还可以用来支撑其他零部件而起到辅助或者延展调节机构本体1支撑功能的作用，同样地，上述上承力面5a可以直接接触顶靠在承力盖座4上(此时的承力轴肩5与承力盖座4事实上构成止推滑动轴承，图中未示出)、也可以让上承力面5a通过轴瓦(图中未示出)或者通过副推力轴承7(如图1所示)间接顶靠在承力盖座4上，特别是发生“抬轴”冲击时，水泵桨叶产生的冲击力可经由调节螺母2的承力轴肩5传递给承力盖座4并最后通过承力盖座4与调节机构本体1的连接件比如螺栓等传递给调节机构本体1(图1所示情形的作用力传递路径为：调节螺母2→承力轴肩5→上承力面5a→副推力轴承7→承力盖座4→调节机构本体1)；很显然，在调节机构本体1与承力盖座4的共同约束下调节螺母2只能作围绕其本身轴线的转动而不能作沿着其轴线的移动，所述调节螺母2相对于调节机构本体1可以有正转、反转和静止三种运行状态，分别对应着驱使调节螺杆3沿着回旋轴线o1方向的上移、下移和静止三种情形，换句话说对应着水泵调节拉杆作用于叶片而分别使其角度处于增大角度、减少角度和锁止角度的三种工作状态(或者对应着使叶片角度处于减少角度、增大角度和锁止角度的三种工作状态)，具体由水泵的设计而确定；本发明的另一个特色是：设置有与调节机构本体1同轴布局的一个第一中心齿轮8、一个第二中心齿轮9和一个第三中心齿轮10(如图1所示)，所述第一中心齿轮8配接在调节机构本体1上并受调节机构本体1所驱动(如图1所示)、或者该第一中心齿轮8与调节机构本体1为一体结构制作(图中未示出)，本发明中所说的配接既包括各种焊接、铆接、螺纹连接等紧固方式的连接，也包括采用各种键连接、花键连接以及卡止连接等传动连接方式；设置有一个与调节机构本体1同轴布局(亦即拥有同一个回旋轴线o1)的接力杆11，该接力杆11配接在调节螺母2上(如图1所示)、或者该接力杆11与调节螺母2为一体结构制作(图中未示出)，其中接力杆11以布局在调节螺母2的上部区域或者上方区域为最佳(参见图1)，因为本调节机构的最佳布局形式是立式结构，亦即调节机构本体1的回旋轴线o1其最佳布局为铅锤布置(如图1所示)，此时将接力杆11以布局在调节螺母2的上部区域或者上方区域将有利于机构的传动布局设计；本发明的接力杆11可以驱使调节螺母2运转，所述第二中心齿轮9和第三中心齿轮10均配接在接力杆11上或者它们与接力杆11为一体结构制作，第二中心齿轮9和第三中心齿轮10均可驱动调节螺母2运转；设置有一个静止不动的座架12和至少一根副轴13，所谓静止不动的座架12是指该座架12相对于地面是不动的但允许其在调节机构运转期间因受到各种激励而存在有或出现有各种振动、抖动和变形运动等等，在这里，座架12可以是一个完整的独立构件(图中未示出)也可以是由若干个零部件组成的组合件(如图1所示)，所述副轴13全部可转动地安装在座架12之上(如图1所示)，其中在每一根副轴13上均配接有一个一号齿轮14、套装有一个二号齿轮15、套装有一个三号齿轮16，并且一号齿轮14与第一中心齿轮8保持常啮合、二号齿轮15与第二中心齿轮9保持常啮合、三号齿轮16与第三中心齿轮10保持常啮合，在这里，所说的套装是指可转动地配装在其上；此外，本发明在每一根副轴13上还配置有一个二号离合器17和一个三号离合器18(如图1所示)，其中二号离合器17负责决定二号齿轮15是否与该副轴13对接联动、三号离合器18负责决定三号齿轮16是否与该副轴13对接联动，二号离合器17与三号离合器18在同一时刻上的工作状态符合并必取且只取以下三种逻辑关系中的一种：①二号离合器17断开且同时三号离合器18亦断开，此时二号齿轮15和三号齿轮16均与所配的副轴13处于断开传动的关系，呼应着接力杆11不驱动调节螺母2，或者说调节机构本体1、调节螺母2、调节螺杆3和接力杆11均处在相对静止的状态，亦即意味着此时水泵的叶片被锁定在或者说被保持在某一个迎水角度下工作；②二号离合器17接合但同时三号离合器18为断开，此时二号齿轮15将与副轴13达成传动运动与动力的关系而三号齿轮16则与副轴13处于断开动力联接的关系，这时的动力传递路径为：调节机构本体1→第一中心齿轮8→一号齿轮14→副轴13→(二号离合器17)→二号齿轮15→第二中心齿轮9→接力杆11→调节螺母2→调节螺杆3，从而使得调节螺杆3产生沿着回旋轴线o1方向的轴向移动；③二号离合器17断开但同时三号离合18器为接合，此时三号齿轮16将与副轴13达成传动运动与动力的关系而二号齿轮15则与副轴13处于断开动力联接的关系，这时的动力传递路径为：调节机构本体1→第一中心齿轮8→一号齿轮14→副轴13→(三号离合器18)→三号齿轮16→第三中心齿轮10→接力杆11→调节螺母2→调节螺杆3，并使得调节螺杆3产生沿着回旋轴线o1的方向且与前面②情形相反的轴向移动；本发明在所有的副轴13上均同时发生并呈现相同的动作：所有的二号离合器17它们均取相一致的工作状态、与此同时所有的三号离合器18它们亦取相互一致的工作状态，不难发现，本发明对发生在同一根副轴13上的情形表现有：一号齿轮14受第一中心齿轮8常态驱使运转并进而由该一号齿轮14常态驱动副轴13运转、二号离合器17接合时二号齿轮15将获得副轴13的驱动而运转并进而由该二号齿轮15驱使第二中心齿轮9运转、三号离合器18接合时三号齿轮16获得副轴13的驱动而运转并进而由该三号齿轮16驱使第三中心齿轮10运转，最终通过第二中心齿轮9或者第三中心齿轮16驱使接力杆11并进而由接力杆11驱使调节螺母2运转；在本发明中，由第一中心齿轮8的齿数与一号齿轮14的齿数之比获得第一速比、由二号齿轮9的齿数与第二中心齿轮15的齿数之比获得第二速比、由三号齿轮10的齿数与第三中心齿轮16的齿数之比获得第三速比，其中这些速比满足以下关系：所述的第一速比与第二速比的乘积其数值大于一、所述的第一速比与第三速比的乘积其数值小于一，在此情形下调节螺杆3的移动方向将取决于调节机构本体1的旋转方向以及调节螺母2与调节螺杆3运动副的螺旋方向，一个具体例子是：假设调节机构本体1为顺时针转动(从俯视方向进行观察)，而且调节螺母2与调节螺杆3的螺旋结构为右旋构造，则二号离合器17接合但同时三号离合器18断开的情形将对应调节螺杆2处在向上提升的过程，反之当二号离合器17断开但同时三号离合器18接合的情形时将对应调节螺杆2处在向下降落的过程；需要说明的是，本发明中的二号离合器17和三号离合器18，它们既可以是电磁离合器、也可以是磁粉离合器、还可以是其它现有的离合器，其中以采用电磁离合器为最佳形式，因为这样可以简化控制系统。显而易见，本发明依靠调节机构本体1作为驱动调节螺母2与调节螺杆3运动副的驱动原动力，由此摒弃和免除了传统装置所必需的专门用于驱动调节螺母2的电机，此外采用调节机构本体1与承力盖座4来共同夹持调节螺母2承力轴肩5的结构方案，大幅增强了机构的支撑刚度并缩短及优化了抬轴冲击顶撞力的传递路径，经此改进后，一方面大幅减少了机构的总体高度尺寸，为紧凑设计调节机构创造了条件；另一方面免掉驱动电机后可以简化调控过程的复杂度，由此提高了调节机构的可靠性；特别地，通过改进调节螺母2与调节螺杆3运动副的结构布局，有效地提高了调节机构抵御抬轴冲击破坏的能力，最终达成防范水泵抬轴冲击隐患的目的。
进一步，本发明为了减少摩擦磨损以提高相关部件的使用寿命和工作可靠性，可以在调节螺母2承力轴肩5的下承力面5b与调节机构本体1之间设置一个主推力轴承6(如1所示)，这样调节水泵叶片角度时所发生的调节力、以及相关部件的重力将会经由水泵调节拉杆→调节螺杆3→调节螺母2→承力轴肩5→下承力面5b→主推力轴承6→调节机构本体1，这样可以借助主推力轴承6达成减少摩擦磨损的目的。另外，还可以在调节螺母2承力轴肩5的上承力面5a与承力盖座4之间设置有副推力轴承7(如图1所示)，此时对调节螺母2的预紧力以及发生“抬轴”冲击时的上顶力将会经由水泵调节拉杆→调节螺杆3→调节螺母2→承力轴肩5→上承力面5a→副推力轴承7→承力盖座4→调节机构本体1，既可以缩短冲击力的传递路径而有利于抵御抬轴冲击，同样也可以减少承力轴肩5与承力盖座4之间的摩擦与磨损。进一步，在承力盖座4与副推力轴承7之间设置有缓冲垫片19(如图1所示)，如此安排的目的在于通过缓冲垫片19的变形吸能效应来缓解和缓冲强大的抬轴冲击力，以保护调节机构免遭损坏，缓冲垫片19的一个较佳制作材料是铜材。再进一步，还可以在承力盖座4与缓冲垫片19之间设置波形弹簧(图中未示出)，设置波形弹簧有利于调整承力盖座4对主推力轴承6、承力轴肩5和副推力轴承7的预紧力，能有效消除上述零部件的配合间隙和游隙从而具有更好的工作状态。为了安装时的对中方便，本发明可以在调节螺母2与调节机构本体1之间设置下定位轴承20和上定位轴承21(如图1所示)，其中下定位轴承20及上定位轴承21的内圈可以配装在调节螺母2上、下定位轴承20及上定位轴承21的外圈则可以配装在调节机构本体1或/和承力盖座4上，设置下定位轴承20和上定位轴承21之后可以准确定位调节螺母2使其轴线与调节机构本体1的回旋轴线o1同轴。
本发明可以让第一中心齿轮8与一号齿轮14齿数之和等于第二中心齿轮9与二号齿轮15齿数之和并等于第三中心齿轮10与三号齿轮16齿数之和，如此安排的考虑是可以让全部的副轴13的轴线到回旋轴线o1的距离相等，换句话说副轴13的轴线可以分布在同一个圆周上，这样各个齿轮可以采用相同的制式比如同为标准齿轮、或者为相同变位系数与变位策略的齿轮，如此可以大大简化制作工艺。进一步，本发明可以让第二中心齿轮9的齿数比第一中心齿轮8的齿数少一个、同时第三中心齿轮10的齿数比一号齿轮8的齿数多一个，如此安排的好处是利用少齿差可以获得尽量大的速比，由此调节机构的总体尺寸可以做得更小，亦即能够实现紧凑设计的目的。
本发明可以让第一中心齿轮8、第二中心齿轮9和第三中心齿轮10具有相同数目的齿数，这样安排的好处是可以减少有效齿轮的规格，从而简化制造工艺并降低生产成本。进一步，可以让二号齿轮15的齿数比一号齿轮14的齿数多一个、三号齿轮16的齿数比一号齿轮14的齿数少一个，如此安排同样是基于少齿差原理实现大的速比，以便减少调节机构的总体尺寸而达成紧凑设计。
同理，本发明也可以让一号齿轮14、二号齿轮15和三号齿轮16具有相同数目的齿数，以便简化齿轮的规格。同样，本发明也可以让第二中心齿轮9的齿数比第一中心齿轮8的齿数少一个而同时让第三中心齿轮10的齿数比第一中心齿轮8的齿数多一个。
本发明相比现有技术具有的突出优点是：本调节机构免掉了传统机械式调节装置必不可少的驱动调节螺母2的专门电机，一方面减少了机构的总体高度尺寸实现了调节机构的紧凑设计，另一方面简化了机构驱动装置控制的复杂度从而提高了调节机构的可靠性，特别地，采用调节机构本体1与承力盖座4一起共同夹持调节螺母2承力轴肩5的结构，大大增强了支撑刚度并缩短了抬轴冲击顶撞力的传递路径，有效提高了调节机构抵御水泵抬轴冲击的破坏的能力，籍此可有效防范抬轴冲击带来的炸机隐患。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例之一，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的各种等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。