直径1.6m球形阀的结构设计

    小天都水电站位于四川省，是低闸高水头引水式电站。GE公司提供2台水轮发电机组，包括2台直径1.5m球形阀；东方电机有限公司提供1台水轮发电机组及1台直径1.6m球形阀。球形阀是水轮机组的事故保护和检修隔离阀门。
    1 球形阀的工作原理和性能参数
    球形阀是水轮机进水阀，安装在引水管下游端的电站厂房内。该电站球形阀水平中心线高程为1756.5m，球形阀垂直中心线位于机组中心线的上游侧7.4m，见图1。

图1 球形阀布置图（单位：mm）

    1.1 性能参数
    球形阀型号为QF400.9-WY-160，其性能参数见表1。

表1 球形阀性能参数

    1.2 工作原理
    当球形阀要开启时，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信号也显示开启，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。当活门前后水压趋于平衡（前后压差≤30%），控制球形阀的压力传感器和压力开关显示达到设定值时，接力器转动活门由全关旋转到全开，球形阀开启过程结束。
    当球形阀要关闭时，首先由接力器将活门由全开旋转到全关，然后向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信号显示关闭，水流被全部截断，球形阀关闭过程结束。一般情况下，上游检修密封始终处于开启位置，只有当机组检修或球形阀更换工作密封时才关闭球形阀检修密封，并投入检修密封的机械锁定。长时间停机或机组发生事故而导水机构不能关闭时，应关闭球形阀工作密封。球形阀工作密封是要经常操作、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，球形阀活门只能处于全关或全开位置，不允许停留在其他中间位置调节流量。
    球形阀能在阀室或中控室以一个电脉冲按规定程序自动地操作，也可以手动操作，或通过开、停机继电器进行操作。
    球形阀的开启、关闭一般是通过油压操作接力器来实现的，但在失去厂用电源、油压设备的主（备）油泵都不能供油的情况下，仍能安全地依靠动水关闭球形阀。
    2 球形阀结构和改进
    球形阀本体由半分的前阀体、后阀体、阀瓣、自润滑轴承及检修密封、工作密封、直径650mm摇摆式接力器等零、部件组成。附属设备有上游连接管、下游伸缩节、作排气和补气用的直径100mm空气阀以及用于球形阀控制的水系统、油系统及自动化元件以及球形阀的油压控制设备系统等，见图2。

图2 球形阀结构（单位：mm）

     
    2.1 球形阀主密封    
    球形阀的检修密封及工作密封采用相同的不锈钢活塞式密封环，使其阀体的进口、出口加工尺寸完全相同，为制造加工带来了极大的方便。阀体采用偏离轴孔斜半分整铸结构，使阀体半分面周圈密封加工方便，密封效果好，阀体半分面螺栓分布均匀，受力均匀，避免了沿阀体轴孔中心线垂直半分所造成的轴孔两侧螺栓跨距大，贴合力不足，合缝面错牙漏水现象。阀体偏离轴孔斜半分结构是球形阀新结构。上、下密封环采用改进后的国内较先进的密封环结构，消除了原来的止漏环受力不好而产生歪斜卡住的现象。前、后阀体密封环滑动处均堆焊有不锈钢层，以防止运转中产生锈蚀发卡和磨损橡胶密封圈。阀体的二轴孔是通过轴瓦承受旋转部分重力以及作用在阀瓣上的水压力。
    2.2 球形阀结构
    GE公司生产的直径1.5m球形阀上设置了旁通阀，多了1套系统，对球形阀运行有一定影响。由于球形阀上、下游密封均采用密封环结构，因此，取消旁通阀后原来球形阀采用密封盖所用的向球形阀轴心充水和排水液压阀及为检修液压阀而设置的闸阀和管路自然取消。同时，利用球形阀下游密封环开启间隙向蜗壳充水的流量，超过直径150mm液压阀充水的流量，所以向蜗壳充水的液压阀及为检修液压阀而设置的闸阀和管路也同时取消，这样，使球形阀的结构及操作系统简化。
    2.3 阀瓣及封水环
    阀瓣采用阀轴与整铸阀瓣焊接为一体的结构，这也是一种新结构，曾在渔子溪水电站1.6m球形阀和华光潭水电站1.75m球形阀上使用过。阀瓣上、下游处加工有贴合封水环的螺孔和止口，以便于封水环套上后固紧、定位，更换封水环也不用拆卸球形阀阀体封水环紧密接触，达到止漏目的。封水环损坏后，在不解体球形阀的情况下更换封水环。同时在制造中，封水环、密封环可单独加工，为加工带来方便。阀瓣两轴颈与轴瓦及密封接触面为加热后套接并焊固的不锈钢套，以防阀瓣轴锈蚀，磨损轴瓦。
    2.4 密封环位置显示装置
    密封环为铸造不锈钢，在球形阀上、下游导环与阀体之间往复滑动，且带有专业密封件厂家制造的组合密封圈。这种组合密封圈密封性能好，使用寿命长。密封环行程为8mm。在球形阀上、下游密封环上分别设置了位置行程开关，其信号接至中控室，以显示密封环处在全关或全开位置，便于准确地操作接力器开、关球形阀活门。
    2.5 密封部件
    球形阀的密封环上的封油、封水密封圈及轴端封水密封圈采用进口专业密封件厂家的产品，以保证密封的可靠性。
    由于采用密封环代替止漏盖，密封环比止漏盖轻得多，大大节约了原材料及碟簧等零件。
    2.6 接力器
    接力器直径为650mm，行程为1190mm。接力器的活塞杆通过臂柄与阀瓣轴相连接。接力器的下端盖与支座之间用销轴铰链连接，能自由摆动。油压设备的额定油压为3.6～4MPa。
    球形阀采用油压操作接力器开启、关闭。上游检修密封的圆周上设有三个手动机械锁定装置，在检修机组时，除关闭球形阀检修密封外，用手动机械锁定装置锁住，并需关闭操作接力器开启腔管路上的截止阀，以保证机组在检修时的绝对安全。
    接力器简化措施有：
    （1）取消金属铰链配油结构，采用金属软管结构，使接力器结构大为简化、可靠，并使加工工作量大为减少。
    （2）接力器活塞杆密封采用专业密封件厂生产的密封件，代替多层V型橡胶密封或石棉盘根密封，使密封性能提高。
    （3）接力器活塞杆杆体部分镀硬铬，使活塞杆不至于生锈磨坏密封圈。
    （4）接力器活塞密封采用2道孔用方形圈密封，替代原来的活塞环密封，这种组合密封的密封压力高，密封压力为0～40MPa，经久耐用。
    2.7 轴承及其密封装置
    轴承及其密封装置由烧结自润滑瓦、钢套、轴用回转方形密封圈、压垫盖等零部件组成。两端轴之间用回转方形密封圈，用以密封通过轴瓦而来的压力水。
    球形阀阀瓣轴瓦采用最新研制的烧结自润滑轴瓦，以代替钢背复合材料轴瓦和铸锡青铜轴瓦，降低轴瓦造价，同时不需黄甘油润滑，可取消铜瓦的注油杯，使结构简单，加工方便，同时其摩擦系数小，提高了操作力矩的安全裕度。
    2.8 球形阀上、下游密封环
    由于电站水质差，密封环若用水操作需滤水器，且目前滤水器质量均不好，所以改用油操作，从而可节省双向滤水器，使操作更可靠、安全。为了不使密封环腔内含有水分的油回到油压设备中去，污染油源，锈蚀自动化元件，因此将密封环内的排油另接至用户自备的废油箱内。
    2.9 空气阀
    空气阀名义直径为100mm，装在球形阀伸缩管的顶部。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。当球形阀动水关闭时，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。
    3 结语
    小天都水电站球形阀于2006年8月投入商业运行以来，球形阀正常开、关时间为120s，整定油压为3.6MPa，直径100mm空气阀补、排气正常，直径650mm接力器操作容量足够，能自如地转动球形阀，包括动水关闭球形阀。球形阀检修密封、工作密封动作灵活，不窜油（水），比同电站的旁通阀的球形阀振动小，操作简单，深受用户好评。