球阀的工作原理及结构特点

 球阀一般安装在水轮机蜗壳前端，其公称直径一般等于压力钢管直径。

球阀的直径按大中型水轮机进水阀门系列推荐标准为DN500、DN650、DN800、DN1000, DN1300,DN1600、DN2000, DN2400 及新增 DN2500、DN2800,DN3000、DN3400, DN3500、DN4000, DM600。

球阀的优点是承受的水头高；活门刚性好，挠度变形小，密封性能好；密封装置不宜磨损；活门全开时，其过水孔和管道内径一致，几乎没有水力损失， 由于采用柔性密封结构，启闭球阀时所需操作力矩小，而且由于球阀活门的刚性比蝶阀活门的刚性高， 所以在动水关闭时的振幅比蝶阀小，这对动水紧急关闭极其有利。其缺点是外形尺寸较蝶阀大，重量大， 结构复杂，制造工艺复杂，造价高。

一般情况下，球阀主要用于高水头水电站，工作水头一般在240m以上；低于240m水头时，应与蝶阀和圆筒阀做选型比较。目前世界上已制成的球阀zui大直径达4. 6m,已制成的球阀中zui高工作水头达1700m。

（1）球阀的主要构成部分及作用

进水球阀主要由主阀部分、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八大部分组成（图24-8）。

①主阀部分（标配）：包括阀体、球体、阀杆及阀座（活塞止水环）等，该部分是整个阀门的核心，其作用是接通或切断水流。

②驱动部分（标配）：对于电动操作的水轮机进水球阀，其驱动部分为电动装置；对于液动操作进水球阀，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，该部分的作用是在阀门启闭前平衡上下游压差，避免在全压差下启闭阀门出现水锤现象以及有效地降低阀门的操作力矩。

④上游凑合节（对液动止水环式水轮机进水球阀为标配，对其余两类为选配）：用于阀门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阀为标配，对其余两类为选配）：包括插管与活动法兰两部分，用于阀门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，一方面可方便对阀门自身进行检修维护，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阀门误动作，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，用于支撑阀门的重量及为摇摆式接力器提供固定转轴。

⑧配套部分：该部分用于控制阀门的驱动部分， 为驱动装置提供动力源，并使阀门按照预先设定的程序进行动作。

（2）球阀的类型特点

按阀轴的布置方式可分为立式和卧式两种，立式球阀因结构复杂，运行中存在积沙易卡等缺点，已被淘汰。在一般情况下宜优先选用卧式布置，理由与蝶阀基本相同。卧式球阀的密封类型有单面和双面两种，双面密封可在不放空压力引水管的情况下，对其工作密封等进行检修。

球阀全开时，圆筒形活门的过水断面与压力引水管道直通，相当于一段钢管，对水流几乎不产生阻力，水力损失很小，也不会产生振动。当全关时，活门旋转90°，由其密封装置截断水流。

球阀关闭严密，漏水极少；止水环在活门活动时不受摩擦，不易磨损；全开时水流条件好，几乎没有水力损失；启闭时操作力矩很小（动水操作时只有摩擦力矩5%左右的水阻力），有利于动水紧急关闭。 但结构复杂，体积、重量大、造价高。

（3）球阀的结构特点

①不锈钢活塞式止水环液动止水环式水轮机进水球阀采用不诱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人与退出（图24-9）。每

台阀门设两个止水环，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。工作密封在阀门关闭时投入，在球体动作前退出，为保证阀门能 在紧急情况下迅速关闭，在阀门达到全开后，工作密封仍然处于退出状态。

通过变换进油（或水）的方向来控制止水环的动作方向，以满足操作的需要。止水环与阀体及端盖之间的密封釆用双重0形圈，并且可通过设置PTFE 挡圈的方式来减小0形圈的磨损。止水环的材料通常为不锈钢12Crl3。

②可更换的活门密封环因止水环式水轮机进水球阀通常用于水质较差、水头较高的电站，所以恶劣的工况对阀门的损耗是非常严重的，特别是对密封面的磨损非常厉害。为了提高阀门的可维护性，液动止水环式水轮机进水球阀将阀门的密封环设计为可拆卸可更换结构，在阀门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阀门，这将大大提高阀门主体的使用寿命，同时也会大大降低资金投入。

活门主要由活门体、密封环、0形圈、螺钉及定位销（图24-10）组成。密封环通过一组螺钉固定在活门体相应部位；密封环与活门体之间的密封靠〇形圈来保证；定位销的作用在于密封环与活门体的准确定位，以免密封环更换以后与活门体发生装配错位。密封环的材料通常为20013。

③更轻便的活门结构液动止水环式水轮机进水球阀经过多年的实践，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，大大减轻了活门的重量（图24-11）。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阀在活门的相应部位设置加强筋，保证了阀门的整体可靠性。活门材料通常为WCB碳素铸钢。

④方便更换止水环的结构液动止水环式水轮机进水球阀*的结构可保证在不将阀门拆开或不从管道上拆下的情况下，对阀门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，再用工具将止水环取出（图24-12）。止水环修复或更换后，亦可按照上述相反的顺序进行装配。整个过程不需要对阀门进行解体，极大地方便了阀门的维修维护。

⑤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阀需要提供各种信号，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*条件，因此该信号的准确性将直接影响到整个阀门动作的准确性。

传统行程指示杆通过螺纹与止水环连在一起，可将止水环的活塞动作状态*反映到指示杆上（图 24-13） 0但此种结构的缺点在于：

a.装配时必须保证止水环、端盖与伸缩节（凑合节）之间有非常的定位，否则无法安装指示杆。

b.止水环没有轴向定位装置，在使用过程中可能存在沿圆周方向转动的趋势，很容易将指示杆卡住，这样一来会影响止水环动作的可靠性，严重时还会将指示杆剪断。考虑到这种情况，采用了改型的行程指示杆结构。

改型的行程指示杆采用了非固定式的结构（图

24-14）,当止水环退出时，可直接将指示杆推动，当止水环投人时，通过弹簧张力使指示杆随之运动。该结构可很好地避免传统结构所带来的弊端。

⑥*伸缩节形式水轮机进水球阀伸缩节由伸缩节插管和活动法兰两部分组成（图24-15），密封采用双重（或三重）橡胶0形密封圈，为减小活动法兰自重对0形圈的磨损挤压，在每只0形圈背后设置PTFE挡圈，此举可有效延长0形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，当阀门正常工作时，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。当对阀门进行检修维护时（如更换止水环、活门密封圈等），拆下伸缩节与进水蜗壳法兰及阀门部分的连接螺栓，将活动法兰 向上游（阀门方向）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，腾出足够空间满足阀门拆装要求（图24-16）;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（阀门方向）推 动，直至*露出0形圈槽，此时可以非常方便地对〇形圈进行更换（图24-17）。

⑦满足微机监控要求水轮机进水球阀可配套提供电动或液动PLC控制柜，对于液动水电球阀， 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，实现阀门的就地操作或中央控制，满足微机监控的要求。

⑧满足动水关闭的要求水轮机进水球阀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，zui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。

⑨人孔结构（可选）对于SDIV900的水轮机进水球阀，根据需要，可以设计人孔结构，以方便对阀门及相关设备进行检修。

⑩水轮机进水球阀阀轴密封阀轴密封属于运动密封，阀轴头处设有钢套，钢套外侧设两道0形密封，内侧设两道密封，一道接近阀体内圆，采用整圈O形橡胶密封，另一道在阀体外侧，采用U形密封，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。进水球阀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。

⑪阀轴与轴承阀轴采用锻钢制造，在与轴承及轴头密封相接触的表面堆焊有不锈钢层，以增加抗磨蚀能力，阀轴与活门用螺栓拧合成一体。轴承采用德国进口 DEVA-BM轴承，具有良好的承载性能。

⑫空气阀名义直径为DiV200，装在水轮机进水球阀伸缩管的顶部。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。当水轮机进水球阀动水关闭时，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。