直徑1.6m球形閥的結構設計

　　介紹了小天都水電站使用的1.6m球閥的性能、結構及設計特點(diǎn)。在設計中采用了一些新結構，使球形閥布局更合理，性能更先進(jìn)，提高了它的技術(shù)經(jīng)濟指標。該閥門(mén)運行情況良好。

　　小天都水電站位于四川省，是低閘高水頭引水式電站。GE公司提供2臺水輪發(fā)電機組，包括2臺直徑1.5m球形閥;東方電機有限公司提供1臺水輪發(fā)電機組及1臺直徑1.6m球形閥。球形閥是水輪機組的事故保護和檢修隔離閥門(mén)。

1、球形閥的工作原理和性能參數

　　球形閥是水輪機進(jìn)水閥，安裝在引水管下游端的電站廠(chǎng)房?jì)�。該電站球形閥水平中心線(xiàn)高程為1756.5m，球形閥垂直中心線(xiàn)位于機組中心線(xiàn)的上游側7.4m，見(jiàn)圖1。

圖1 球形閥布置圖(單位：mm)

1.1、性能參數

　　球形閥型號為QF400.9-WY-160，其性能參數見(jiàn)表1。

表1 球形閥性能參數

1.2、工作原理

　　當球形閥要開(kāi)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的鎖定裝置，然后在檢修密封的開(kāi)啟腔通入壓力油，使檢修密封處于開(kāi)啟狀態(tài)，上游檢修密封的行程開(kāi)關(guān)信號顯示開(kāi)啟。在此狀況下，在下游工作密封的開(kāi)啟腔通入壓力油，使工作密封處于開(kāi)啟狀態(tài)，且下游工作密封的行程開(kāi)關(guān)信號也顯示開(kāi)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充水。當活門(mén)前后水壓趨于平衡(前后壓差≤30%)，控制球形閥的壓力傳感器和壓力開(kāi)關(guān)顯示達到設定值時(shí)，接力器轉動(dòng)活門(mén)由全關(guān)旋轉到全開(kāi)，球形閥開(kāi)啟過(guò)程結束。

　　當球形閥要關(guān)閉時(shí)，首先由接力器將活門(mén)由全開(kāi)旋轉到全關(guān)，然后向下游工作密封的關(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(kāi)關(guān)信號顯示關(guān)閉，水流被全部截斷，球形閥關(guān)閉過(guò)程結束。一般情況下，上游檢修密封始終處于開(kāi)啟位置，只有當機組檢修或球形閥更換工作密封時(shí)才關(guān)閉球形閥檢修密封，并投入檢修密封的機械鎖定。長(cháng)時(shí)間停機或機組發(fā)生事故而導水機構不能關(guān)閉時(shí)，應關(guān)閉球形閥工作密封。球形閥工作密封是要經(jīng)常操作、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(mǎn)水的情況下，球形閥活門(mén)只能處于全關(guān)或全開(kāi)位置，不允許停留在其他中間位置調節流量。

　　球形閥能在閥室或中控室以一個(gè)電脈沖按規定程序自動(dòng)地操作，也可以手動(dòng)操作，或通過(guò)開(kāi)、停機繼電器進(jìn)行操作。

　　球形閥的開(kāi)啟、關(guān)閉一般是通過(guò)油壓操作接力器來(lái)實(shí)現的，但在失去廠(chǎng)用電源、油壓設備的主(備)油泵都不能供油的情況下，仍能安全地依靠動(dòng)水關(guān)閉球形閥。

2、球形閥結構和改進(jìn)

　　球形閥本體由半分的前閥體、后閥體、閥瓣、自潤滑軸承及檢修密封、工作密封、直徑650mm搖擺式接力器等零、部件組成。附屬設備有上游連接管、下游伸縮節、作排氣和補氣用的直徑100mm空氣閥以及用于球形閥控制的水系統、油系統及自動(dòng)化元件以及球形閥的油壓控制設備系統等，見(jiàn)圖2。

圖2 球形閥結構(單位：mm)

　　2.1、球形閥主密封

　　球形閥的檢修密封及工作密封采用相同的不銹鋼活塞式密封環(huán)，使其閥體的進(jìn)口、出口加工尺寸完全相同，為制造加工帶來(lái)了極大的方便。閥體采用偏離軸孔斜半分整鑄結構，使閥體半分面周圈密封加工方便，密封效果好，閥體半分面螺栓分布均勻，受力均勻，避免了沿閥體軸孔中心線(xiàn)垂直半分所造成的軸孔兩側螺栓跨距大，貼合力不足，合縫面錯牙漏水現象。閥體偏離軸孔斜半分結構是球形閥新結構。上、下密封環(huán)采用改進(jìn)后的國內較先進(jìn)的密封環(huán)結構，消除了原來(lái)的止漏環(huán)受力不好而產(chǎn)生歪斜卡住的現象。前、后閥體密封環(huán)滑動(dòng)處均堆焊有不銹鋼層，以防止運轉中產(chǎn)生銹蝕發(fā)卡和磨損橡膠密封圈。閥體的二軸孔是通過(guò)軸瓦承受旋轉部分重力以及作用在閥瓣上的水壓力。

　　2.2、球形閥結構

　　GE公司生產(chǎn)的直徑1.5m球形閥上設置了旁通閥，多了1套系統，對球形閥運行有一定影響。由于球形閥上、下游密封均采用密封環(huán)結構，因此，取消旁通閥后原來(lái)球形閥采用密封蓋所用的向球形閥軸心充水和排水液壓閥及為檢修液壓閥而設置的閘閥和管路自然取消。同時(shí)，利用球形閥下游密封環(huán)開(kāi)啟間隙向蝸殼充水的流量，超過(guò)直徑150mm液壓閥充水的流量，所以向蝸殼充水的液壓閥及為檢修液壓閥而設置的閘閥和管路也同時(shí)取消，這樣，使球形閥的結構及操作系統簡(jiǎn)化。

　　2.3、閥瓣及封水環(huán)

　　閥瓣采用閥軸與整鑄閥瓣焊接為一體的結構，這也是一種新結構，曾在漁子溪水電站1.6m球形閥和華光潭水電站1.75m球形閥上使用過(guò)。閥瓣上、下游處加工有貼合封水環(huán)的螺孔和止口，以便于封水環(huán)套上后固緊、定位，更換封水環(huán)也不用拆卸球形閥閥體封水環(huán)緊密接觸，達到止漏目的。封水環(huán)損壞后，在不解體球形閥的情況下更換封水環(huán)。同時(shí)在制造中，封水環(huán)、密封環(huán)可單獨加工，為加工帶來(lái)方便。閥瓣兩軸頸與軸瓦及密封接觸面為加熱后套接并焊固的不銹鋼套，以防閥瓣軸銹蝕，磨損軸瓦。

　　2.4、密封環(huán)位置顯示裝置

　　密封環(huán)為鑄造不銹鋼，在球形閥上、下游導環(huán)與閥體之間往復滑動(dòng)，且帶有專(zhuān)業(yè)密封件廠(chǎng)家制造的組合密封圈。這種組合密封圈密封性能好，使用壽命長(cháng)。密封環(huán)行程為8mm。在球形閥上、下游密封環(huán)上分別設置了位置行程開(kāi)關(guān)，其信號接至中控室，以顯示密封環(huán)處在全關(guān)或全開(kāi)位置，便于準確地操作接力器開(kāi)、關(guān)球形閥活門(mén)。

　　2.5、密封部件

　　球形閥的密封環(huán)上的封油、封水密封圈及軸端封水密封圈采用進(jìn)口專(zhuān)業(yè)密封件廠(chǎng)家的產(chǎn)品，以保證密封的可靠性。

　　由于采用密封環(huán)代替止漏蓋，密封環(huán)比止漏蓋輕得多，大大節約了原材料及碟簧等零件。

　　2.6、接力器

　　接力器直徑為650mm，行程為1190mm。接力器的活塞桿通過(guò)臂柄與閥瓣軸相連接。接力器的下端蓋與支座之間用銷(xiāo)軸鉸鏈連接，能自由擺動(dòng)。油壓設備的額定油壓為3.6～4MPa。

　　球形閥采用油壓操作接力器開(kāi)啟、關(guān)閉。上游檢修密封的圓周上設有三個(gè)手動(dòng)機械鎖定裝置，在檢修機組時(shí)，除關(guān)閉球形閥檢修密封外，用手動(dòng)機械鎖定裝置鎖住，并需關(guān)閉操作接力器開(kāi)啟腔管路上的截止閥，以保證機組在檢修時(shí)的絕對安全。

　　接力器簡(jiǎn)化措施有：

　　(1)取消金屬鉸鏈配油結構，采用金屬軟管結構，使接力器結構大為簡(jiǎn)化、可靠，并使加工工作量大為減少。

　　(2)接力器活塞桿密封采用專(zhuān)業(yè)密封件廠(chǎng)生產(chǎn)的密封件，代替多層V型橡膠密封或石棉盤(pán)根密封，使密封性能提高。

　　(3)接力器活塞桿桿體部分鍍硬鉻，使活塞桿不至于生銹磨壞密封圈。

　　(4)接力器活塞密封采用2道孔用方形圈密封，替代原來(lái)的活塞環(huán)密封，這種組合密封的密封壓力高，密封壓力為0～40MPa，經(jīng)久耐用。

　　2.7、軸承及其密封裝置

　　軸承及其密封裝置由燒結自潤滑瓦、鋼套、軸用回轉方形密封圈、壓墊蓋等零部件組成。兩端軸之間用回轉方形密封圈，用以密封通過(guò)軸瓦而來(lái)的壓力水。

　　球形閥閥瓣軸瓦采用最新研制的燒結自潤滑軸瓦，以代替鋼背復合材料軸瓦和鑄錫青銅軸瓦，降低軸瓦造價(jià)，同時(shí)不需黃甘油潤滑，可取消銅瓦的注油杯，使結構簡(jiǎn)單，加工方便，同時(shí)其摩擦系數小，提高了操作力矩的安全裕度。

　　2.8、球形閥上、下游密封環(huán)

　　由于電站水質(zhì)差，密封環(huán)若用水操作需濾水器，且目前濾水器質(zhì)量均不好，所以改用油操作，從而可節省雙向濾水器，使操作更可靠、安全。為了不使密封環(huán)腔內含有水分的油回到油壓設備中去，污染油源，銹蝕自動(dòng)化元件，因此將密封環(huán)內的排油另接至用戶(hù)自備的廢油箱內。

　　2.9、空氣閥

　　空氣閥名義直徑為100mm，裝在球形閥伸縮管的頂部。當蝸殼放水時(shí)，它就自動(dòng)打開(kāi)。當蝸殼充水時(shí)，其內部的空氣通過(guò)空氣閥排入大氣中。當球形閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)，空氣閥向蝸殼及伸縮管補入空氣，以免產(chǎn)生真空而喪失穩定性。

3、結語(yǔ)

　　小天都水電站球形閥于2006年8月投入商業(yè)運行以來(lái)，球形閥正常開(kāi)、關(guān)時(shí)間為120s，整定油壓為3.6MPa，直徑100mm空氣閥補、排氣正常，直徑650mm接力器操作容量足夠，能自如地轉動(dòng)球形閥，包括動(dòng)水關(guān)閉球形閥。球形閥檢修密封、工作密封動(dòng)作靈活，不竄油(水)，比同電站的旁通閥的球形閥振動(dòng)小，操作簡(jiǎn)單，深受用戶(hù)好評。