浅议新型水轮机进水球阀的结构和工作原理

     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。
一、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，在调节阀开启到位后，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。

二、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。
三、结构特性
     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。
     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。
     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、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。
     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。
     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。
四、结论
    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。

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