一、概述

水輪機(jī)是水電站的重要機(jī)電設(shè)備之一。為了保證水輪機(jī)安全和可靠的運(yùn)行，水輪機(jī)的入水口處均裝設(shè)有進(jìn)水球閥，上游與壓力鋼管連接，下游與水輪機(jī)進(jìn)水蝸殼連接。一方面在水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)組檢修時(shí)通過(guò)該閥切斷壓力鋼管內(nèi)的水流，保證檢修的安全；另一方面在水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)可有效切斷水流，防止事故的發(fā)生，由于水輪機(jī)運(yùn)行的特殊要求，通用球閥在水電站的運(yùn)行中不能滿足工況系統(tǒng)的使用要求，導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法運(yùn)行的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。為了確保水輪機(jī)組能平穩(wěn)、可靠、安全的運(yùn)行，在消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用全新的設(shè)計(jì)理念，研制開發(fā)出新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥。

二、主要構(gòu)成部分及作用

水輪機(jī)進(jìn)水球閥主要由主閥部分、驅(qū)動(dòng)部分、旁通管路、上游湊合節(jié)、下游伸縮節(jié)、鎖定部分、支撐部分及配套部分等8大部分組成，參見(jiàn)圖1。

(1)主閥部分(標(biāo)配)：包括閥體、球體、閥桿及閥座(活塞止水環(huán))等，該部分是整個(gè)閥門的核心，其作用是接通或切斷水流。

(2)驅(qū)動(dòng)部分(標(biāo)配)：對(duì)于電動(dòng)操作的水輪機(jī)進(jìn)水球閥，其驅(qū)動(dòng)部分為電動(dòng)裝置；對(duì)于液動(dòng)操作水輪機(jī)進(jìn)水球閥，其驅(qū)動(dòng)部分為液壓接力器與拐臂(對(duì)于搖擺缸)等，該部分的作用是驅(qū)動(dòng)主閥進(jìn)行啟閉動(dòng)作。

(3)旁通管路(推薦采用)：包括旁通閥、檢修閥(僅用于旁通閥)、鋼管、彎頭等，該部分的作用是在閥門啟閉前平衡上下游壓差，避免在全壓差下啟閉閥門出現(xiàn)水錘現(xiàn)象以及有效地降低閥門的操作力矩。

(4)上游湊合節(jié)(對(duì)液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥為標(biāo)配，對(duì)其余兩類為選配)：用于閥門與上游端壓力鋼管進(jìn)行連接，連接方式通常為焊接，并且會(huì)預(yù)留50～100mm的焊接配割余量。

(5)下游伸縮節(jié)(對(duì)液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥為標(biāo)配，對(duì)其余兩類為選配)：包括插管與活動(dòng)法蘭兩部分，用于閥門與下游水輪機(jī)進(jìn)水蝸殼連接，連接方式為法蘭連接。通過(guò)伸縮節(jié)的方式，一方面可方便對(duì)閥門自身進(jìn)行檢修維護(hù)，另一方面可適應(yīng)由于溫度、壓力的變化造成的管道軸向膨脹或收縮。

(6)鎖定部分(選配)：主要包括上游檢修密封鎖定及接力器鎖定。主要用于防止由于誤操作帶來(lái)的閥門誤動(dòng)作，保證系統(tǒng)的安全性及可靠性。

(7)支撐部分：包括主閥與接力器底座，底座通過(guò)地腳螺栓安裝于混凝土支墩上，用于支撐閥門的總量及為搖擺式接力器提供固定轉(zhuǎn)軸。

(8)配套部分：該部分用于控制閥門的驅(qū)動(dòng)部分，為驅(qū)動(dòng)裝置提供動(dòng)力源，并使閥門按照預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行動(dòng)作。

三、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

a、不銹鋼話塞式止水環(huán)

液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥采用不銹鋼活塞式止水環(huán)來(lái)密封止水，通過(guò)油壓或水壓來(lái)控制止水環(huán)的投入與退出，見(jiàn)圖2。每只閥門設(shè)兩個(gè)止水環(huán)，上游側(cè)為檢修密封，下游側(cè)為工作密封。檢修密封設(shè)手動(dòng)鎖緊裝置，正常工作時(shí)檢修密封處于常開狀態(tài)，只在機(jī)組檢修時(shí)投入，為保證下游檢修的安全性，應(yīng)手動(dòng)將鎖定投入。工作密封在閥門關(guān)閉時(shí)投入，在球體動(dòng)作前退出，為保證閥門能在緊急情況下迅速關(guān)閉，在閥門達(dá)到全開后，工作密封仍然處于退出狀態(tài)。

通過(guò)變換進(jìn)油(或水)的方向來(lái)控制止水環(huán)的動(dòng)作方向，以滿足操作的需要。止水環(huán)與閥體及端蓋之間的密封采用雙重O型圈，并且可通過(guò)設(shè)置PTFE擋圈的方式來(lái)減小O型圈的磨損。止水環(huán)的材料通常為不銹鋼1Crl3。

b、可更換的活門密封環(huán)

因止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥通常用于水質(zhì)較差、水頭較高的電站，所以惡劣的工況對(duì)閥門的損耗是非常嚴(yán)重的，特別是對(duì)密封面的磨損非常厲害。為了提高閥門的可維護(hù)性，液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥將閥門的密封環(huán)設(shè)計(jì)為可拆卸可更換結(jié)構(gòu)，在閥門長(zhǎng)期使用活門密封環(huán)發(fā)生嚴(yán)重磨損后，可僅對(duì)密封環(huán)進(jìn)行更換而不需要更換活門或另購(gòu)閥門，這將大大提高閥門主體的使用壽命，同時(shí)也會(huì)大大降低資金投入。

活門主要由活門體、密封環(huán)、O型圈、螺釘及定位銷組成，見(jiàn)圖3。密封環(huán)通過(guò)一組螺釘固定在活門體相應(yīng)部位，密封環(huán)與活門體之間的密封靠O型圈來(lái)保證，定位銷的作用在于密封環(huán)與活門體的準(zhǔn)確定位，以免密封環(huán)更換以后與活門體發(fā)生裝配錯(cuò)位。活門密封環(huán)的材料通常為2Crl3。

c、更輕便的活門結(jié)構(gòu)

液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，摒棄了之前常用的完整球形活門結(jié)構(gòu)，而采用了類球狀結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4，大大減輕了活門的重量。一方面可以節(jié)省不少投資，另一方面亦可緩解活門自重對(duì)閥殼帶來(lái)的受力影響。

為保證活門具有足夠的強(qiáng)度與剛度，液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥在活門的相應(yīng)部位設(shè)置加強(qiáng)筋，保證了閥門的整體可靠性。活門材料通常為WCB碳素鑄鋼。

d、方便更換止水環(huán)的結(jié)構(gòu)

液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可保證在不將閥門拆開或不從管道上拆下的情況下，對(duì)閥門止水環(huán)進(jìn)行維修及更換。

止水環(huán)尾部設(shè)有拔出螺孔，當(dāng)止水環(huán)損壞時(shí)，可依次拆下伸縮節(jié)(或湊合節(jié))、端蓋、再用專用工具將止水環(huán)取出，見(jiàn)圖5。止水環(huán)修復(fù)或更換后，亦可按照上述相反的順序進(jìn)行裝配。整個(gè)過(guò)程不需要對(duì)閥門進(jìn)行解體，極大的方便了閥門的維修維護(hù)。

f、更加合理的行程指示桿

為了滿足復(fù)雜的順序控制需要，液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥需要提供各種信號(hào)，止水環(huán)投入與拔出的信號(hào)就是其中之一。它是判斷活門是否可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)條件的必備條件，因此該信號(hào)的準(zhǔn)確性將直接影響到整個(gè)閥門動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

傳統(tǒng)行程指示桿通過(guò)螺紋與止水環(huán)連在一起，可將止水環(huán)的活塞動(dòng)作狀態(tài)完全反映到指示桿七，見(jiàn)圖6。但此種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于：

(1)裝配時(shí)必須保證止水環(huán)、端蓋與伸縮節(jié)(湊合節(jié))之間有非常精確的定位，否則無(wú)法安裝指示桿。

(2)止水環(huán)沒(méi)有周向定位裝置，在使用過(guò)程中可能存在沿圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，很容易將指示桿卡住，這樣一來(lái)會(huì)影響止水環(huán)動(dòng)作的可靠性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)將指示桿剪斷。考慮到這種情況，采用了如下圖所示的指示桿結(jié)構(gòu)。

改型的行程指示桿采用了非固定式的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，當(dāng)止水環(huán)退出時(shí)，可直接將指示桿推動(dòng)，當(dāng)止水環(huán)投入時(shí)，通過(guò)彈簧張力使指示桿隨之運(yùn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)可很好地避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的弊端。

g、先進(jìn)的伸縮節(jié)形式

水輪機(jī)進(jìn)水球閥伸縮節(jié)由伸縮節(jié)插管和活動(dòng)法蘭兩部分組成見(jiàn)圖8，密封采用雙重(或三重)橡膠O型密封圈，為減小活動(dòng)法蘭自重對(duì)O型圈的磨損擠壓，在每只O型圈背后設(shè)置PTFE擋圈，此舉可有效延長(zhǎng)O型圈使用壽命及提高密封的可靠性。

該結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向均設(shè)置一定的伸縮量，當(dāng)閥門正常工作時(shí)，該結(jié)構(gòu)可以自動(dòng)適應(yīng)由于壓力、溫度變化帶來(lái)的管道軸向膨脹或收縮。當(dāng)對(duì)閥門進(jìn)行檢修維護(hù)時(shí)(如更換止水環(huán)、活門密封囤等)，拆下伸縮節(jié)與進(jìn)水蝸殼法蘭及閥門部分的連接螺栓，將活動(dòng)法蘭向上游(閥門方向)推動(dòng)，同時(shí)將插管向下游(進(jìn)水蝸殼方向)推動(dòng)，縮短伸縮節(jié)長(zhǎng)度，騰出足夠空間滿足閥門拆裝要求，見(jiàn)圖9；當(dāng)伸縮節(jié)自身的密封圈損壞需要更換時(shí)，拆下伸縮節(jié)與進(jìn)水蝸殼法蘭的連接螺栓，插管不動(dòng)，將活動(dòng)法蘭向上游(閥門方向)推動(dòng)，直至完全露出O型圈槽，此時(shí)可以非常方便地對(duì)O型圈進(jìn)行更換，見(jiàn)圖10。

h、滿足微機(jī)監(jiān)控要求

水輪機(jī)進(jìn)水球閥可配套提供電動(dòng)或液動(dòng)PLC控制柜，對(duì)于液動(dòng)水電球閥，還可配套提供油壓裝置。

控制柜應(yīng)設(shè)有以下信號(hào)裝置：指示主閥開啟與關(guān)閉的信號(hào)裝置；指示旁通閥開啟與關(guān)閉的信號(hào)裝置；指示接力器鎖定投入與拔出的信號(hào)裝置；指示工作、檢修密封的信號(hào)裝置；油壓表、閥前、閥后水壓表。這些傳感器提供信號(hào)，并與控制柜和中央控制室連接，實(shí)現(xiàn)閥門的就地操作或中央控制，滿足微機(jī)監(jiān)控的要求。

i、滿足動(dòng)水關(guān)閉的要求

水輪機(jī)進(jìn)水球閥根據(jù)電站的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算及校核，最大限度保障了運(yùn)行的安全性，滿足在噴針不關(guān)閉、旁通不平壓下的緊急關(guān)斷要求。

j、人孔結(jié)構(gòu)(可選)

對(duì)于DN≥900mm的水電球閥，根據(jù)需要，可以設(shè)計(jì)人孔結(jié)構(gòu)，以方便地對(duì)閥門及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢修。

k、上游密封

水輪機(jī)進(jìn)水球閥采用先進(jìn)的彈簧預(yù)緊具有活塞效應(yīng)的浮動(dòng)閥座組件，采用上游密封的設(shè)計(jì)機(jī)理，能良好地實(shí)現(xiàn)密封。

在管道無(wú)壓力或低壓力時(shí)，由初始密封預(yù)緊力保證閥門的密封效果；在管道正常壓力時(shí)，由介質(zhì)壓力推動(dòng)具有浮動(dòng)效應(yīng)(沿流道方向的來(lái)回運(yùn)動(dòng))的上游閥座緊貼球體來(lái)達(dá)到密封，見(jiàn)圖11。

每只閥門有兩個(gè)閥座，兩個(gè)方向都能密封，因而安裝沒(méi)有方向的限制。

l、雙截?cái)嚯p排放(DBB)

該功能是針對(duì)閥門中腔而言。所謂“雙截?cái)唷保侵搁y門在全開及全關(guān)時(shí)，閥門中腔與流道均被上下游閥座截?cái)啵凰^“雙排放”，是指閥門在全開及全關(guān)時(shí)，均可對(duì)中腔進(jìn)行排放。水輪機(jī)進(jìn)水球閥具有DBB功能，可定期排放中腔的介質(zhì)和積滯物，可減少污物對(duì)閥門密封面的損傷，有效延長(zhǎng)閥門使用壽命，見(jiàn)圖12。

m、中腔自動(dòng)泄壓

水輪機(jī)進(jìn)水球閥使用彈簧預(yù)緊閥座，當(dāng)中腔停滯的介質(zhì)出現(xiàn)異常升壓時(shí)，能壓縮彈簧而自動(dòng)泄壓，見(jiàn)圖13。

n、彈簧預(yù)緊結(jié)構(gòu)

水輪機(jī)進(jìn)水球閥全部采用彈簧預(yù)緊閥座結(jié)構(gòu)，在閥座支承圈后設(shè)置預(yù)緊彈簧，見(jiàn)圖14。其主要作用首先是為球閥提供必要的初始密封預(yù)緊力；其次還可實(shí)現(xiàn)閥座的自動(dòng)泄壓；另外在閥門長(zhǎng)期頻繁使用后，軟閥座會(huì)出現(xiàn)少量的磨損，通過(guò)彈簧力可以補(bǔ)償磨損，從而延長(zhǎng)閥門壽命。

水輪機(jī)進(jìn)水球閥的預(yù)緊彈簧均經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的計(jì)算，可以同時(shí)保證提供必要的初始密封預(yù)緊力及達(dá)到最輕便的操作力矩。通常情況下，預(yù)緊彈簧采用螺旋壓縮彈簧。

o、水輪機(jī)進(jìn)水球閥閥軸密封

閥軸密封屬于動(dòng)密封，閥軸頭處設(shè)有鋼套，鋼套外側(cè)設(shè)兩道O型密封，內(nèi)側(cè)設(shè)兩道密封，一道接近閥體內(nèi)圓，采用整圈O型橡膠密封，另一道在閥體外側(cè)，采用U型密封，這種封水結(jié)構(gòu)的好處是泥沙不會(huì)進(jìn)入軸瓦，既可保證鋼套拆卸方便，又可保證活門轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。球閥能在不拆開閥體的情況下更換檢修密封、工作密封及軸頸密封。

p、閥軸與軸承

閥軸采用鍛鋼制造，在與軸承及軸頭密封相接觸的表面堆焊有不銹鋼層，以增加抗磨蝕能力，閥軸與活門用螺栓擰合成一體。軸承采用德國(guó)進(jìn)口DEVA—BM軸承，具有良好的承載性能。

q、空氣閥

空氣閥名義直徑為DN200，裝在水輪機(jī)進(jìn)水球閥伸縮管的頂部。當(dāng)蝸殼放水時(shí)，它就自動(dòng)打開。當(dāng)蝸殼充水時(shí)，其內(nèi)部的空氣通過(guò)空氣閥排入大氣中。當(dāng)水輪機(jī)進(jìn)水球閥關(guān)閉時(shí)，空氣閥向蝸殼及伸縮管補(bǔ)入空氣，以免產(chǎn)生真空而喪失穩(wěn)定性。

四、工作原理

當(dāng)水輪機(jī)進(jìn)水球閥要開啟時(shí)，首先解除檢修密封處的3套周圈均布的沿水流方向鎖定檢修密封的鎖定裝置，然后在檢修密封的開啟腔通入壓力油，使檢修密封處于開啟狀態(tài)，上游檢修密封的行程開關(guān)的信號(hào)顯示開啟，在此狀況下，在下游工作密封的開啟腔通入壓力油，使工作密封處于開啟狀態(tài)，且下游工作密封的行程開關(guān)的信號(hào)顯示開啟。這樣，水流就通過(guò)上游檢修密封處的周圈間隙與下游工作密封的周圈間隙向蝸殼內(nèi)充水，當(dāng)活門前后壓力趨于平衡，控制水輪機(jī)進(jìn)水球閥的壓力傳感器和壓力開關(guān)的顯示達(dá)到設(shè)定值時(shí)，接力器轉(zhuǎn)動(dòng)活門由全關(guān)旋轉(zhuǎn)到全開，水輪機(jī)進(jìn)水球閥開啟過(guò)程結(jié)束。

當(dāng)水輪機(jī)進(jìn)水球閥要關(guān)閉時(shí)，接力器首先轉(zhuǎn)動(dòng)活門由全開旋轉(zhuǎn)到全關(guān)，然后在下游工作密封的關(guān)閉腔通入壓力油，使工作密封處于關(guān)閉狀態(tài)，且下游工作密封的行程開關(guān)的信號(hào)顯示關(guān)閉，水流被全部截?cái)啵啓C(jī)進(jìn)水球閥關(guān)閉過(guò)程結(jié)束。

一般情況下，上游檢修密封始終處于開啟位置，只有當(dāng)機(jī)組檢修或水輪機(jī)進(jìn)水球閥更換密封時(shí)，關(guān)閉水輪機(jī)進(jìn)水球閥檢修密封，并投入檢修密封的機(jī)械鎖錠。長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)或機(jī)組發(fā)生事故而導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不能關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉水輪機(jī)進(jìn)水球閥工作密封。值得一提的是水輪機(jī)進(jìn)水球閥工作密封是要經(jīng)常動(dòng)作的，而檢修密封是很少動(dòng)作的。另外，在引水鋼管充滿水的情況下，水輪機(jī)進(jìn)水球閥的活門要么處于關(guān)閉，要么處于開啟，不允許停留在其他位置做調(diào)節(jié)流量用。

五、控制原理

a、控制原理說(shuō)明

水輪機(jī)進(jìn)水球閥控制柜應(yīng)設(shè)有以下信號(hào)裝置：指示主閥開啟與關(guān)閉的信號(hào)裝置(1QPD、2QPD)；指示旁通閥開啟與關(guān)閉的信號(hào)裝置(6QPD)；指示接力器鎖定投入與拔出的信號(hào)裝置(3QPD)；指示工作、檢修密封的信號(hào)裝置(4QPD、5QPD)；油壓表、閥前、閥后水壓表。這些傳感器提供信號(hào)，并與控制柜和中央控制室連接，實(shí)現(xiàn)閥門的就地操作或中央控制，滿足系統(tǒng)的要求。

液動(dòng)水輪機(jī)進(jìn)水球閥當(dāng)進(jìn)行檢修或更換下游工作密封時(shí)，將水輪機(jī)進(jìn)水球閥關(guān)閉，通過(guò)電磁閥3WDP投入檢修密封，行程開關(guān)5QPD發(fā)出信號(hào)，使上游檢修密封關(guān)指示燈亮，為保證檢修工作安全，應(yīng)手動(dòng)將檢修密封鎖緊，并將選擇開關(guān)設(shè)為“檢修密封投入”；正常工作時(shí)，應(yīng)松開檢修密封鎖定，通過(guò)電磁閥3WDP退開檢修密封，行程開關(guān)5QPD發(fā)出信號(hào)，使上游檢修密封開指示燈亮，并將選擇開關(guān)設(shè)為“檢修密封退出”。

開啟主閥時(shí)，按下開按鈕，首先啟動(dòng)電磁閥2WDP，拔出接力器關(guān)鎖定，通過(guò)行程開關(guān)3QPD將接力器關(guān)鎖定拔出的信號(hào)返回控制柜，電磁閥5WDP動(dòng)作，接通旁通閥的液壓源，旁通閥達(dá)到全開位置時(shí)，行程開關(guān)6QPD將旁通閥已開啟的信號(hào)返回。當(dāng)主閥上下游的壓力接近相等時(shí)，壓力繼電器(由控制柜提供)發(fā)出平壓信號(hào)，使電磁閥4WDP動(dòng)作，退開工作密封，行程開關(guān)4QPD將工作密封退出信號(hào)返回控制柜，隨即啟動(dòng)電磁閥1WDP，接通接力器液壓源，轉(zhuǎn)動(dòng)球體，球體轉(zhuǎn)到位后，行程開關(guān)1QPD將閥門已達(dá)到全開位置的信號(hào)返回控制柜。再次接通旁通閥的液壓源，關(guān)閉旁通球閥，相應(yīng)的行程開關(guān)6QPD將信號(hào)返回控制柜。再次啟動(dòng)電磁閥2WDP投入接力器開鎖定，球閥開啟指示燈亮。球閥開啟完成后，1WDP及JHF25在中間位置，封閉壓力油管，使接力器泄壓。接力器鎖定動(dòng)作必須準(zhǔn)確可靠，鎖錠未撥出，接力器不能操作。

關(guān)閉主閥時(shí)，按下關(guān)按鈕，撥出接力器開鎖定，開啟旁通閥，接通接力器液壓源，關(guān)閉球體。球體關(guān)到位后，旁通閥關(guān)閉，相應(yīng)地將信號(hào)返回控制室。投入接力器關(guān)鎖定，球閥關(guān)閉指示燈亮。接力器泄壓。

六、結(jié)語(yǔ)

水輪機(jī)進(jìn)水球閥作為水輪機(jī)組的進(jìn)水閥門，對(duì)機(jī)組的事故保護(hù)和檢修起著至關(guān)重要的作用，其性能的好壞，直接影響水電站的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，水電站對(duì)水輪機(jī)進(jìn)水球閥的性能要求也越來(lái)越高。特大型水輪機(jī)進(jìn)水球閥設(shè)計(jì)、制造的難度非常大，既要考慮球閥的強(qiáng)度、剛度、密封性能，又要考慮鑄件、鍛件、加工件廠家的設(shè)備能力，以及運(yùn)輸條件。水輪機(jī)進(jìn)水球閥的成功設(shè)計(jì)，使進(jìn)水球閥的總體結(jié)構(gòu)更為合理，性能更加先進(jìn)，為工況系統(tǒng)的調(diào)試、運(yùn)行和檢修提供了可靠的保證。

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