一、概述
水輪機是水電站的重要機電設備之一。爲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，上游与压力钢管连接，下游与水轮机进水蜗壳连接。一方面在水轮机及发电机组检修时通过该阀切断压力钢管内的水流，保证检修的安全；另一方面在水轮机及发电机出现异常时可有效切断水流，防止事故的发生，由于水轮机运行的特殊要求，通用球閥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、安全的运行，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閥。
二、主要構成部分及作用
水轮机进水球閥主要由主阀部分、驱动部分、旁通管路、上游凑合节、下游伸缩节、锁定部分、支撑部分及配套部分等8大部分组成，参见图1。
(1)主閥部分(標配)：包括閥體、球體、閥杆及閥座(活塞止水環)等，該部分是整個閥門的核心，其作用是接通或切斷水流。
(2)驱动部分(标配)：对于电动操作的水轮机进水球閥，其驱动部分为电动装置；对于液动操作水轮机进水球閥，其驱动部分为液压接力器与拐臂(对于摇摆缸)等，该部分的作用是驱动主阀进行启闭动作。
(3)旁通管路(推荐采用)：包括旁通阀、检修阀(仅用于旁通阀)、钢管、弯头等，该部分的作用是在閥門启闭前平衡上下游压差，避免在全压差下启闭閥門出现水锤现象以及有效地降低閥門的操作力矩。
(4)上游凑合节(对液动止水环式水轮机进水球閥为标配，对其余两类为选配)：用于閥門与上游端压力钢管进行连接，连接方式通常为焊接，并且会预留50～100mm的焊接配割余量。
(5)下游伸缩节(对液动止水环式水轮机进水球閥为标配，对其余两类为选配)：包括插管与活动法兰两部分，用于閥門与下游水轮机进水蜗壳连接，连接方式为法兰连接。通过伸缩节的方式，一方面可方便对閥門自身进行检修维护，另一方面可适应由于温度、压力的变化造成的管道轴向膨胀或收缩。
(6)锁定部分(选配)：主要包括上游检修密封锁定及接力器锁定。主要用于防止由于误操作带来的閥門误动作，保证系统的安全性及可靠性。
(7)支撑部分：包括主阀与接力器底座，底座通过地脚螺栓安装于混凝土支墩上，用于支撑閥門的总量及为摇摆式接力器提供固定转轴。
(8)配套部分：该部分用于控制閥門的驱动部分，为驱动装置提供动力源，并使閥門按照预先设定的程序进行动作。
三、結構特點
a、不鏽鋼話塞式止水環
液动止水环式水轮机进水球閥采用不锈钢活塞式止水环来密封止水，通过油压或水压来控制止水环的投入与退出，见图2。每只閥門设两个止水环，上游侧为检修密封，下游侧为工作密封。检修密封设手动锁紧装置，正常工作时检修密封处于常开状态，只在机组检修时投入，为保证下游检修的安全性，应手动将锁定投入。工作密封在閥門关闭时投入，在球体动作前退出，为保证閥門能在紧急情况下迅速关闭，在閥門达到全开后，工作密封仍然处于退出状态。
通過變換進油(或水)的方向來控制止水環的動作方向，以滿足操作的需要。止水環與閥體及端蓋之間的密封采用雙重O型圈，並且可通過設置PTFE擋圈的方式來減小O型圈的磨損。止水環的材料通常爲不鏽鋼1Crl3。
b、可更換的活門密封環
因止水环式水轮机进水球閥通常用于水质较差、水头较高的电站，所以恶劣的工况对閥門的损耗是非常严重的，特别是对密封面的磨损非常厉害。为了提高閥門的可维护性，液动止水环式水轮机进水球閥将閥門的密封环设计为可拆卸可更换结构，在閥門长期使用活门密封环发生严重磨损后，可仅对密封环进行更换而不需要更换活门或另购閥門，这将大大提高閥門主体的使用寿命，同时也会大大降低资金投入。
活門主要由活門體、密封環、O型圈、螺釘及定位銷組成，見圖3。密封環通過一組螺釘固定在活門體相應部位，密封環與活門體之間的密封靠O型圈來保證，定位銷的作用在于密封環與活門體的准確定位，以免密封環更換以後與活門體發生裝配錯位。活門密封環的材料通常爲2Crl3。
c、更輕便的活門結構
液动止水环式水轮机进水球閥经过多年的实践，摒弃了之前常用的完整球形活门结构，而采用了类球状结构，见图4，大大减轻了活门的重量。一方面可以节省不少投资，另一方面亦可缓解活门自重对阀壳带来的受力影响。
为保证活门具有足够的强度与刚度，液动止水环式水轮机进水球閥在活门的相应部位设置加强筋，保证了閥門的整体可靠性。活门材料通常为WCB碳素铸钢。
d、方便更換止水環的結構
液动止水环式水轮机进水球閥独特的结构可保证在不将閥門拆开或不从管道上拆下的情况下，对閥門止水环进行维修及更换。
止水环尾部设有拔出螺孔，当止水环损坏时，可依次拆下伸缩节(或凑合节)、端盖、再用专用工具将止水环取出，见图5。止水环修复或更换后，亦可按照上述相反的顺序进行装配。整个过程不需要对閥門进行解体，极大的方便了閥門的维修维护。
f、更加合理的行程指示杆
为了满足复杂的顺序控制需要，液动止水环式水轮机进水球閥需要提供各种信号，止水环投入与拔出的信号就是其中之一。它是判断活门是否可以进行转动条件的必备条件，因此该信号的准确性将直接影响到整个閥門动作的准确性。
傳統行程指示杆通過螺紋與止水環連在一起，可將止水環的活塞動作狀態完全反映到指示杆七，見圖6。但此種結構的缺點在于：
(1)裝配時必須保證止水環、端蓋與伸縮節(湊合節)之間有非常精確的定位，否則無法安裝指示杆。
(2)止水環沒有周向定位裝置，在使用過程中可能存在沿圓周方向轉動的趨勢，很容易將指示杆卡住，這樣一來會影響止水環動作的可靠性，嚴重時還會將指示杆剪斷。考慮到這種情況，采用了如下圖所示的指示杆結構。
改型的行程指示杆采用了非固定式的結構見圖7，當止水環退出時，可直接將指示杆推動，當止水環投入時，通過彈簧張力使指示杆隨之運動。該結構可很好地避免傳統結構所帶來的弊端。
g、先進的伸縮節形式
水轮机进水球閥伸缩节由伸缩节插管和活动法兰两部分组成见图8，密封采用双重(或三重)橡胶O型密封圈，为减小活动法兰自重对O型圈的磨损挤压，在每只O型圈背后设置PTFE挡圈，此举可有效延长O型圈使用寿命及提高密封的可靠性。
该结构在两个方向均设置一定的伸缩量，当閥門正常工作时，该结构可以自动适应由于压力、温度变化带来的管道轴向膨胀或收缩。当对閥門进行检修维护时(如更换止水环、活门密封囤等)，拆下伸缩节与进水蜗壳法兰及閥門部分的连接螺栓，将活动法兰向上游(閥門方向)推动，同时将插管向下游(进水蜗壳方向)推动，缩短伸缩节长度，腾出足够空间满足閥門拆装要求，见图9；当伸缩节自身的密封圈损坏需要更换时，拆下伸缩节与进水蜗壳法兰的连接螺栓，插管不动，将活动法兰向上游(閥門方向)推动，直至完全露出O型圈槽，此时可以非常方便地对O型圈进行更换，见图10。
h、滿足微機監控要求
水轮机进水球閥可配套提供电动或液动PLC控制柜，对于液动水电球閥，还可配套提供油压装置。
控制柜应设有以下信号装置：指示主阀开启与关闭的信号装置；指示旁通阀开启与关闭的信号装置；指示接力器锁定投入与拔出的信号装置；指示工作、检修密封的信号装置；油压表、阀前、阀后水压表。这些传感器提供信号，并与控制柜和中央控制室连接，实现閥門的就地操作或中央控制，满足微机监控的要求。
i、滿足動水關閉的要求
水轮机进水球閥根据电站的实际情况进行设计，所有数据均经过严格的计算及校核，最大限度保障了运行的安全性，满足在喷针不关闭、旁通不平压下的紧急关断要求。
j、人孔結構(可選)
对于DN≥900mm的水电球閥，根据需要，可以设计人孔结构，以方便地对閥門及相关设备进行检修。
k、上遊密封
水轮机进水球閥采用先进的弹簧预紧具有活塞效应的浮动阀座组件，采用上游密封的设计机理，能良好地实现密封。
在管道无压力或低压力时，由初始密封预紧力保证閥門的密封效果；在管道正常压力时，由介质压力推动具有浮动效应(沿流道方向的来回运动)的上游阀座紧贴球体来达到密封，见图11。
每只閥門有两个阀座，两个方向都能密封，因而安装没有方向的限制。
l、雙截斷雙排放(DBB)
该功能是针对閥門中腔而言。所谓“双截断”，是指閥門在全开及全关时，閥門中腔与流道均被上下游阀座截断；所谓“双排放”，是指閥門在全开及全关时，均可对中腔进行排放。水轮机进水球閥具有DBB功能，可定期排放中腔的介质和积滞物，可减少污物对閥門密封面的损伤，有效延长閥門使用寿命，见图12。
m、中腔自動泄壓
水轮机进水球閥使用弹簧预紧阀座，当中腔停滞的介质出现异常升压时，能压缩弹簧而自动泄压，见图13。
n、彈簧預緊結構
水轮机进水球閥全部采用弹簧预紧阀座结构，在阀座支承圈后设置预紧弹簧，见图14。其主要作用首先是为球閥提供必要的初始密封预紧力；其次还可实现阀座的自动泄压；另外在閥門长期频繁使用后，软阀座会出现少量的磨损，通过弹簧力可以补偿磨损，从而延长閥門寿命。
水轮机进水球閥的预紧弹簧均经过严密的计算，可以同时保证提供必要的初始密封预紧力及达到最轻便的操作力矩。通常情况下，预紧弹簧采用螺旋压缩弹簧。
o、水轮机进水球閥阀轴密封
阀轴密封属于动密封，阀轴头处设有钢套，钢套外侧设两道O型密封，内侧设两道密封，一道接近阀体内圆，采用整圈O型橡胶密封，另一道在阀体外侧，采用U型密封，这种封水结构的好处是泥沙不会进入轴瓦，既可保证钢套拆卸方便，又可保证活门转动灵活。球閥能在不拆开阀体的情况下更换检修密封、工作密封及轴颈密封。
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鏽鋼層，以增加抗磨蝕能力，閥軸與活門用螺栓擰合成一體。軸承采用德國進口DEVA—BM軸承，具有良好的承載性能。
q、空氣閥
空气阀名义直径为DN200，装在水轮机进水球閥伸缩管的顶部。当蜗壳放水时，它就自动打开。当蜗壳充水时，其内部的空气通过空气阀排入大气中。当水轮机进水球閥关闭时，空气阀向蜗壳及伸缩管补入空气，以免产生真空而丧失稳定性。
四、工作原理
当水轮机进水球閥要开启时，首先解除检修密封处的3套周圈均布的沿水流方向锁定检修密封的锁定装置，然后在检修密封的开启腔通入压力油，使检修密封处于开启状态，上游检修密封的行程开关的信号显示开启，在此状况下，在下游工作密封的开启腔通入压力油，使工作密封处于开启状态，且下游工作密封的行程开关的信号显示开启。这样，水流就通过上游检修密封处的周圈间隙与下游工作密封的周圈间隙向蜗壳内充水，当活门前后压力趋于平衡，控制水轮机进水球閥的压力传感器和压力开关的显示达到设定值时，接力器转动活门由全关旋转到全开，水轮机进水球閥开启过程结束。
当水轮机进水球閥要关闭时，接力器首先转动活门由全开旋转到全关，然后在下游工作密封的关闭腔通入压力油，使工作密封处于关闭状态，且下游工作密封的行程开关的信号显示关闭，水流被全部截断，水轮机进水球閥关闭过程结束。
一般情况下，上游检修密封始终处于开启位置，只有当机组检修或水轮机进水球閥更换密封时，关闭水轮机进水球閥检修密封，并投入检修密封的机械锁锭。长时间停机或机组发生事故而导水机构不能关闭时，关闭水轮机进水球閥工作密封。值得一提的是水轮机进水球閥工作密封是要经常动作的，而检修密封是很少动作的。另外，在引水钢管充满水的情况下，水轮机进水球閥的活门要么处于关闭，要么处于开启，不允许停留在其他位置做调节流量用。
五、控制原理
a、控制原理說明
水轮机进水球閥控制柜应设有以下信号装置：指示主阀开启与关闭的信号装置(1QPD、2QPD)；指示旁通阀开启与关闭的信号装置(6QPD)；指示接力器锁定投入与拔出的信号装置(3QPD)；指示工作、检修密封的信号装置(4QPD、5QPD)；油压表、阀前、阀后水压表。这些传感器提供信号，并与控制柜和中央控制室连接，实现閥門的就地操作或中央控制，满足系统的要求。
液动水轮机进水球閥当进行检修或更换下游工作密封时，将水轮机进水球閥关闭，通过电磁阀3WDP投入检修密封，行程开关5QPD发出信号，使上游检修密封关指示灯亮，为保证检修工作安全，应手动将检修密封锁紧，并将选择开关设为“检修密封投入”；正常工作时，应松开检修密封锁定，通过电磁阀3WDP退开检修密封，行程开关5QPD发出信号，使上游检修密封开指示灯亮，并将选择开关设为“检修密封退出”。
开启主阀时，按下开按钮，首先启动电磁阀2WDP，拔出接力器关锁定，通过行程开关3QPD将接力器关锁定拔出的信号返回控制柜，电磁阀5WDP动作，接通旁通阀的液压源，旁通阀达到全开位置时，行程开关6QPD将旁通阀已开启的信号返回。当主阀上下游的压力接近相等时，压力继电器(由控制柜提供)发出平压信号，使电磁阀4WDP动作，退开工作密封，行程开关4QPD将工作密封退出信号返回控制柜，随即启动电磁阀1WDP，接通接力器液压源，转动球体，球体转到位后，行程开关1QPD将閥門已达到全开位置的信号返回控制柜。再次接通旁通阀的液压源，关闭旁通球閥，相应的行程开关6QPD将信号返回控制柜。再次启动电磁阀2WDP投入接力器开锁定，球閥开启指示灯亮。球閥开启完成后，1WDP及JHF25在中间位置，封闭压力油管，使接力器泄压。接力器锁定动作必须准确可靠，锁锭未拨出，接力器不能操作。
关闭主阀时，按下关按钮，拨出接力器开锁定，开启旁通阀，接通接力器液压源，关闭球体。球体关到位后，旁通阀关闭，相应地将信号返回控制室。投入接力器关锁定，球閥关闭指示灯亮。接力器泄压。
六、結語
水轮机进水球閥作为水轮机组的进水閥門，对机组的事故保护和检修起着至关重要的作用，其性能的好坏，直接影响水电站的经济效益和社会效益。因此，水电站对水轮机进水球閥的性能要求也越来越高。特大型水轮机进水球閥设计、制造的难度非常大，既要考虑球閥的强度、刚度、密封性能，又要考虑铸件、锻件、加工件厂家的设备能力，以及运输条件。水轮机进水球閥的成功设计，使进水球閥的总体结构更为合理，性能更加先进，为工况系统的调试、运行和检修提供了可靠的保证。
隔膜閥廠家-天沃，與您資料共享！
