作 者： 彭建宏 謝建聰 陳曉麗
摘 要： 介紹了一種新型水輪機進水球閥的結構特點、性能參數和工作原理。對閥門的液壓接力器開啟和重錘勢能關閉、單閥座偏心密封和內壓平衡閥門進出口端壓差等結構進行了討論和分析。

1 概述

    水輪機是水電站的重要機電設備之一。為了保證水輪機安全和可靠的運行，水輪機的入水口處均裝設有進水球閥，用于發電機組檢修或機組調節系統失靈時的斷流保護。由于水輪機運行的特殊要求，通用系列球閥在水電站的運行中不能滿足工況系統的使用要求，導致機組無法運行的現象也時有發生。為了確保水輪機組能平穩、可靠的運行，在消化吸收國外先進技術的基礎上，采用全新的設計理念，研制開發出新型水輪機進水球閥。

2 主要參數

該系列閥門的主要參數：

壓力（MPa）：2.942～9.807

升壓壓力（MPa）：3.923～12.258

公稱直徑（mm）：DN400～2400

閥門開啟時間（s）：30～120

閥門關閉時間（s）：30～120

接力器形式：直缸搖擺式

該系列產品的外形尺寸和具體技術參數，可根據發電機組不同的工況要求進行具體設計。

3 工作原理

     新型水輪機進水球閥（圖1）采用液壓驅動開啟，依靠重錘勢能實現關閉，其動作為開閥、鎖定和關閥（開關型）。

（1）開閥利用液控站和接力器舉升油缸的作用力，通過搖臂、重錘和閥桿等零件，帶動啟閉件（球體）作90°旋轉。與此同時，液控站和舉升油缸的作用力也通過搖臂將重錘垂直提升，將重錘的重力轉換為勢能，為關閥作好動力準備。

（2）鎖定可分為手動機械鎖定和自動機械鎖定。手動機械鎖定相對比較簡單，在閥門開啟到位后，直接把鎖定銷投入或拔出。同時，設有手動鎖定投入或撥出信號指示裝置。手動鎖定裝置可以承受液壓接力器的最大操作壓力，避免閥門誤動作。自動機械鎖定機構由傳動油缸、機械鎖定軸、電磁鎖定軸和電磁鐵等零件組成，具有機械電磁聯合鎖定功能。當閥門全開后，先由傳動油缸的作用力驅動機械鎖定軸投入到鎖定位置進行初鎖，再由電磁鐵的電磁力驅動電磁鎖定軸進行終鎖，其鎖定過程在一系列行程開關的作用下，完全自動進行。重錘的勢能完全由機械鎖定軸承受，機械鎖定軸的退出受到電磁鎖定軸的約束，而電磁鎖定軸的退出則受到電磁鐵的電磁力控制。在電磁鐵不失電的條件下，電磁鎖定軸和機械鎖定軸能夠實現安全控制，即使重錘過重或閥門長時間開啟，重錘（包括啟閉件）也始終保持在原位置，確保閥門開啟后始終處于全開狀態（最小流阻狀態），其間無需采取補油或補壓等措施。

（3）關閥自動機械鎖定機構的關閥有3種情況，即人為關閥、水泵（或閥門）自身故障失電關閥和外線失電關閥。不管哪種情況關閥，只須讓電磁鐵失電即可按預定程序自動關閉，在電磁鐵失電瞬間，電磁力即刻同步消失。電磁鎖定軸一旦失去電磁力的作用則即刻開鎖，機械鎖定軸在失去電磁鎖定軸的約束后也即刻開鎖，此時重錘的勢能立即將重錘、搖臂和閥軸等零件帶動關閉件按照預先調定的快關、緩沖和慢關程序作關閉運動，完成關閥動作循環。在閥門的關閉過程中，必須排除舉升油缸下腔的油液，據此，采取控制并調節舉升油缸排油速度的方法，能有效地對閥門的關閉速度進行控制。閥門的關閉過程分為快關、緩沖和慢關3個程序，其快關時間、慢關時間、快關角度及慢關角度都可以根據工況系統的需要進行調節，能有效的防止管道內發生水錘。

    開閥前，可先打開內部平衡閥門前后壓差機構，其信號可以傳送到主控室。閥門在開啟狀態下，液控裝置系統有自動保壓和手動鎖定雙重保護，同時設有位置信號指示裝置以及手動鎖定投入或撥出信號指示裝置。電氣控制可根據用戶需要實行普通控制或PLC控制，實現泵閥聯動，并可實現遠程控制及與計算機聯控。而且，一個液壓站可以同時對多臺進水球閥進行調控。

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4 結構特性

4.1 液壓驅動控制

    新型水輪機進水球閥采用了液壓接力器開啟、依靠重錘勢能關閉的驅動操作結構，與國內通用進水球閥相比，是比較合理和經濟的一種選擇。目前國內通用進水球閥大部分采用的是氣動或液動開啟和關閉閥門，這種選擇與進水球閥的密封結構是相互關聯的。新型水輪機進水球閥采用閥桿臥式結構設計，單閥座偏心密封結構，閥門流道采用全通徑形式，流阻系數小。其操作控制部分采用液壓接力器及重錘式結構，與液控蝶閥控制部分的技術相類似，屬節能型產品。

4.2 閥體

    新型水輪機進水球閥的承壓件全部采用鍛造設計結構，其優點是材料具有緊密均質的纖維狀結構，強度高，韌性好，安全可靠性高，表面質量好。閥門采用三片式，閥體、閥蓋和（側）法蘭之間直接采用螺栓連接，O形圈密封，結構簡單、緊湊，結構長度短于標準規定的相同規格類型（例如：DN600PN50閥門結構長度設計為920mm，而JB/T9576規定的同規格型號長度為1034mm。DN800PN50閥門結構長度設計為1220mm，JB/T9576規定的同規格型號長度為1340mm）。有些規格的閥門質量比標準規定（JB/T9576標準中的閥門多為鑄造結構）的還要輕。球體支撐采用內置于閥體內的上下支撐板結構，球體兩軸端設有自潤滑軸襯和軸套，摩擦系數小。閥桿采用臥式結構，閥桿密封采用U形填料和O形圈組合密封設計，因此，閥門操作扭矩相對較小，開啟輕便。

    另外，目前國內進水球閥大多采用鑄造結構，內部表面形狀復雜，閥門的內部防腐處理工藝復雜且效果不佳。閥門鍛件內部表面都是通過機加工獲得的，表面質量比較好，所以，防腐措施和防腐效果都比較理想。

4.3 閥座

    新型水輪機進水球閥采用單閥座偏心密封結構，即在閥門出口端設置閥座密封結構，進口端不設置閥座。閥桿的回轉中心與流道中心（水平和垂直方向）偏置一定的距離。其優點主要表現在：單閥座密封結構設計簡單、經濟，閥門開啟后關閉件（球體）能迅速脫離閥座密封面，能大幅度地消除關閉件與閥座之間不必要的擠壓、刮擦現象，減輕了開啟力矩，降低了磨損，提高了閥座壽命。閥門在關閉時，由于閥座采用浮動式結構設計，關閉件推動閥座在流道方向上做少量位移，關閉件關到位后，在彈簧預緊力和介質力的作用下，關閉件與閥座密封面緊密接觸，達到密封效果。

    由于工況介質多為含有泥沙的水，國內通用進水球閥存在泥沙淤積閥座問題（進水球閥多數為雙閥座結構，可能是泥沙淤積閥座的根源），閥門關閉時閥座密封面損壞和泄漏的現象時有發生。新型水輪機進水球閥采用單閥座偏心密封結構，閥門關閉初始，閥座密封面與關閉件無任何接觸，隨著過流面積的變小，流速增大，淤積于閥座的泥沙大部分被介質沖刷帶走。另外，閥座密封面采用非金屬與金屬材料組合的密封形式，起摩擦作用，能有效的解決泥沙淤積而造成的密封面損壞和泄漏問題。

4.4 閥門關閉限位

    為防止新型水輪機進水球閥關閉時過位，影響閥門的密封效果，設計時在閥門內部關閉方向上設置了限過位結構。在閥門關閉時，關閉件與閥座密封面完全吻合并同時與限位件接觸，從而確保閥門的密封效果。而國內通用進水球閥的限位放置在閥門外部，調試時很難將閥座密封位置和限位位置一致，以致影響閥門的密封。

4.5 內壓平衡壓差裝置

    通用進水球閥通常在進出口上下游管道上設置有旁路裝置，其目的在于開啟閥門前，使閥門進、出口端的壓力平衡，減小閥門的開啟力矩。目前國內的進水球閥大部分是采用這種外置旁通結構。這種結構安裝空間大，安裝、運輸麻煩，控制元件多，制造成本增加。

    新型水輪機進水球閥采用內部平衡閥門進、出口壓差結構（此結構設置在球體上）。閥門處于關閉狀態時，在閥門管道進口端介質壓力P0和彈簧預緊力的作用下（一般情況下，進口端壓力P0大于出口端壓力P2），密封環和密封座之間處于密封狀態。閥門開啟前，控制系統輸出信號，液壓泵輸出壓力P1，通過設置在閥桿內部的輸送管道和設在球體內部的管道相通，帶壓介質進入內部平衡壓差機構。當P1作用在密封環上的力大于P0和彈簧作用在密封環的力時，密封環脫離密封座，開始泄壓，直至P0等于P2。這時，壓力反饋信號傳給主控系統，閥門開啟。

   這種內部平衡閥門進、出口端壓差結構，其功能不僅可以替代原有的外置旁路裝置的作用，而且，減少了閥門的泄漏點，減小了安裝空間，調試方便，降低了制造成本。

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4.6 清洗閥腔

    由于進水球閥主要用于輸送含泥沙的水，閥門長期使用后，閥腔內容易淤積泥沙，影響閥門的使用。新型水輪機進水球閥在閥體的上下端設置了清洗和排污口，通過清洗口可以定期或不定期用高壓水對閥腔內進行清洗，污水由排污口排出閥體外。

5 結語

    目前，國內外水輪機進水球閥的結構形式多種多樣，功能也不盡相同。根據工況系統的特殊要求，新型水輪機進水球閥采用了全新的設計理念，使進水球閥的總體結構更為合理，性能更加先進，降低了制造成本，提高了進水球閥的技術性能和經濟效益，為工況系統的調試、運行和檢修提供了可靠的保證。

參考文獻

（1）陸培文。實用閥門設計手冊（M）。北京：機械工業出版社，2004。
（2）JB/T9576-2000，大中型水輪機進水閥（S）。