新型水轮机进水球阀的结构和原理

作 者： 彭建宏 谢建聪 陈晓丽
摘 要： 介绍了一种新型水轮机进水球阀的结构特点、性能参数和工作原理。对阀门的液压接力器开启和重锤势能关闭、单阀座偏心密封和内压平衡阀门进出口端压差等结构进行了讨论和分析。

1 概述

    水轮机是水电站的重要机电设备之一。为了保证水轮机安全和可靠的运行，水轮机的入水口处均装设有进水球阀，用于发电机组检修或机组调节系统失灵时的断流保护。由于水轮机运行的特殊要求，通用系列球阀在水电站的运行中不能满足工况系统的使用要求，导致机组无法运行的现象也时有发生。为了确保水轮机组能平稳、可靠的运行，在消化吸收国外先进技术的基础上，采用全新的设计理念，研制开发出新型水轮机进水球阀。

2 主要参数

该系列阀门的主要参数：

压力（MPa）：2.942～9.807

升压压力（MPa）：3.923～12.258

公称直径（mm）：DN400～2400

阀门开启时间（s）：30～120

阀门关闭时间（s）：30～120

接力器形式：直缸摇摆式

该系列产品的外形尺寸和具体技术参数，可根据发电机组不同的工况要求进行具体设计。

3 工作原理

     新型水轮机进水球阀（图1）采用液压驱动开启，依靠重锤势能实现关闭，其动作为开阀、锁定和关阀（开关型）。

（1）开阀利用液控站和接力器举升油缸的作用力，通过摇臂、重锤和阀杆等零件，带动启闭件（球体）作90°旋转。与此同时，液控站和举升油缸的作用力也通过摇臂将重锤垂直提升，将重锤的重力转换为势能，为关阀作好动力准备。

（2）锁定可分为手动机械锁定和自动机械锁定。手动机械锁定相对比较简单，在阀门开启到位后，直接把锁定销投入或拔出。同时，设有手动锁定投入或拨出信号指示装置。手动锁定装置可以承受液压接力器的最大操作压力，避免阀门误动作。自动机械锁定机构由传动油缸、机械锁定轴、电磁锁定轴和电磁铁等零件组成，具有机械电磁联合锁定功能。当阀门全开后，先由传动油缸的作用力驱动机械锁定轴投入到锁定位置进行初锁，再由电磁铁的电磁力驱动电磁锁定轴进行终锁，其锁定过程在一系列行程开关的作用下，完全自动进行。重锤的势能完全由机械锁定轴承受，机械锁定轴的退出受到电磁锁定轴的约束，而电磁锁定轴的退出则受到电磁铁的电磁力控制。在电磁铁不失电的条件下，电磁锁定轴和机械锁定轴能够实现安全控制，即使重锤过重或阀门长时间开启，重锤（包括启闭件）也始终保持在原位置，确保阀门开启后始终处于全开状态（最小流阻状态），其间无需采取补油或补压等措施。

（3）关阀自动机械锁定机构的关阀有3种情况，即人为关阀、水泵（或阀门）自身故障失电关阀和外线失电关阀。不管哪种情况关阀，只须让电磁铁失电即可按预定程序自动关闭，在电磁铁失电瞬间，电磁力即刻同步消失。电磁锁定轴一旦失去电磁力的作用则即刻开锁，机械锁定轴在失去电磁锁定轴的约束后也即刻开锁，此时重锤的势能立即将重锤、摇臂和阀轴等零件带动关闭件按照预先调定的快关、缓冲和慢关程序作关闭运动，完成关阀动作循环。在阀门的关闭过程中，必须排除举升油缸下腔的油液，据此，采取控制并调节举升油缸排油速度的方法，能有效地对阀门的关闭速度进行控制。阀门的关闭过程分为快关、缓冲和慢关3个程序，其快关时间、慢关时间、快关角度及慢关角度都可以根据工况系统的需要进行调节，能有效的防止管道内发生水锤。

    开阀前，可先打开内部平衡阀门前后压差机构，其信号可以传送到主控室。阀门在开启状态下，液控装置系统有自动保压和手动锁定双重保护，同时设有位置信号指示装置以及手动锁定投入或拨出信号指示装置。电气控制可根据用户需要实行普通控制或PLC控制，实现泵阀联动，并可实现远程控制及与计算机联控。而且，一个液压站可以同时对多台进水球阀进行调控。

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4 结构特性

4.1 液压驱动控制

    新型水轮机进水球阀采用了液压接力器开启、依靠重锤势能关闭的驱动操作结构，与国内通用进水球阀相比，是比较合理和经济的一种选择。目前国内通用进水球阀大部分采用的是气动或液动开启和关闭阀门，这种选择与进水球阀的密封结构是相互关联的。新型水轮机进水球阀采用阀杆卧式结构设计，单阀座偏心密封结构，阀门流道采用全通径形式，流阻系数小。其操作控制部分采用液压接力器及重锤式结构，与液控蝶阀控制部分的技术相类似，属节能型产品。

4.2 阀体

    新型水轮机进水球阀的承压件全部采用锻造设计结构，其优点是材料具有紧密均质的纤维状结构，强度高，韧性好，安全可靠性高，表面质量好。阀门采用三片式，阀体、阀盖和（侧）法兰之间直接采用螺栓连接，O形圈密封，结构简单、紧凑，结构长度短于标准规定的相同规格类型（例如：DN600PN50阀门结构长度设计为920mm，而JB/T9576规定的同规格型号长度为1034mm。DN800PN50阀门结构长度设计为1220mm，JB/T9576规定的同规格型号长度为1340mm）。有些规格的阀门质量比标准规定（JB/T9576标准中的阀门多为铸造结构）的还要轻。球体支撑采用内置于阀体内的上下支撑板结构，球体两轴端设有自润滑轴衬和轴套，摩擦系数小。阀杆采用卧式结构，阀杆密封采用U形填料和O形圈组合密封设计，因此，阀门操作扭矩相对较小，开启轻便。

    另外，目前国内进水球阀大多采用铸造结构，内部表面形状复杂，阀门的内部防腐处理工艺复杂且效果不佳。阀门锻件内部表面都是通过机加工获得的，表面质量比较好，所以，防腐措施和防腐效果都比较理想。

4.3 阀座

    新型水轮机进水球阀采用单阀座偏心密封结构，即在阀门出口端设置阀座密封结构，进口端不设置阀座。阀杆的回转中心与流道中心（水平和垂直方向）偏置一定的距离。其优点主要表现在：单阀座密封结构设计简单、经济，阀门开启后关闭件（球体）能迅速脱离阀座密封面，能大幅度地消除关闭件与阀座之间不必要的挤压、刮擦现象，减轻了开启力矩，降低了磨损，提高了阀座寿命。阀门在关闭时，由于阀座采用浮动式结构设计，关闭件推动阀座在流道方向上做少量位移，关闭件关到位后，在弹簧预紧力和介质力的作用下，关闭件与阀座密封面紧密接触，达到密封效果。

    由于工况介质多为含有泥沙的水，国内通用进水球阀存在泥沙淤积阀座问题（进水球阀多数为双阀座结构，可能是泥沙淤积阀座的根源），阀门关闭时阀座密封面损坏和泄漏的现象时有发生。新型水轮机进水球阀采用单阀座偏心密封结构，阀门关闭初始，阀座密封面与关闭件无任何接触，随着过流面积的变小，流速增大，淤积于阀座的泥沙大部分被介质冲刷带走。另外，阀座密封面采用非金属与金属材料组合的密封形式，起摩擦作用，能有效的解决泥沙淤积而造成的密封面损坏和泄漏问题。

4.4 阀门关闭限位

    为防止新型水轮机进水球阀关闭时过位，影响阀门的密封效果，设计时在阀门内部关闭方向上设置了限过位结构。在阀门关闭时，关闭件与阀座密封面完全吻合并同时与限位件接触，从而确保阀门的密封效果。而国内通用进水球阀的限位放置在阀门外部，调试时很难将阀座密封位置和限位位置一致，以致影响阀门的密封。

4.5 内压平衡压差装置

    通用进水球阀通常在进出口上下游管道上设置有旁路装置，其目的在于开启阀门前，使阀门进、出口端的压力平衡，减小阀门的开启力矩。目前国内的进水球阀大部分是采用这种外置旁通结构。这种结构安装空间大，安装、运输麻烦，控制元件多，制造成本增加。

    新型水轮机进水球阀采用内部平衡阀门进、出口压差结构（此结构设置在球体上）。阀门处于关闭状态时，在阀门管道进口端介质压力P0和弹簧预紧力的作用下（一般情况下，进口端压力P0大于出口端压力P2），密封环和密封座之间处于密封状态。阀门开启前，控制系统输出信号，液压泵输出压力P1，通过设置在阀杆内部的输送管道和设在球体内部的管道相通，带压介质进入内部平衡压差机构。当P1作用在密封环上的力大于P0和弹簧作用在密封环的力时，密封环脱离密封座，开始泄压，直至P0等于P2。这时，压力反馈信号传给主控系统，阀门开启。

   这种内部平衡阀门进、出口端压差结构，其功能不仅可以替代原有的外置旁路装置的作用，而且，减少了阀门的泄漏点，减小了安装空间，调试方便，降低了制造成本。

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4.6 清洗阀腔

    由于进水球阀主要用于输送含泥沙的水，阀门长期使用后，阀腔内容易淤积泥沙，影响阀门的使用。新型水轮机进水球阀在阀体的上下端设置了清洗和排污口，通过清洗口可以定期或不定期用高压水对阀腔内进行清洗，污水由排污口排出阀体外。

5 结语

    目前，国内外水轮机进水球阀的结构形式多种多样，功能也不尽相同。根据工况系统的特殊要求，新型水轮机进水球阀采用了全新的设计理念，使进水球阀的总体结构更为合理，性能更加先进，降低了制造成本，提高了进水球阀的技术性能和经济效益，为工况系统的调试、运行和检修提供了可靠的保证。

参考文献

（1）陆培文。实用阀门设计手册（M）。北京：机械工业出版社，2004。
（2）JB/T9576-2000，大中型水轮机进水阀（S）。