水轮机进水阀的类型及结构特点

 由于水电站的类型多种多样，条件、要求各不相同，因而产生了多种类型的进水阀。比较广泛采用的类型有：蝶阀、球阀、闸阀和圆筒阀。

24.4.1 蝶阀

蝶阀与其他类型进水阀比较，具有结构简单、外形尺寸小、重量轻、造价低、操作方便等优点，缺点是活门刚性差，挠度大，密封不当，漏水量大，活门在水流中造成一定的水力损失，特别在高水头时，活门厚度大，影响更甚。它的密封性能也不如其他类型 的进水阀，当密封环在启闭过程中被擦伤或磨损时， 漏水量将更大。

一般情况下，蝶阀主要适用于低水头、大直径的水电站，蝶阀的zui高使用水头不宜超过240m;更高水头时，应与球阀和圆筒阀做选型比较。目前世界上已投运的蝶阀，zui大公称直径为10m，zui高工作水头为640m。

蝶阀�%8 般安装在水轮机蜗壳前端，其过流净面积 一般大于或等于蜗壳进口截面面积，一般取与钢管直径相同或小于压力钢管大于蜗壳进口直径。

蝶阀的直径（mm）按大中型水轮机进水阀门系列推荐标准为 1000、1250、1500、1750、2000、 2250、 2500、 2800、 3400、 4000、 4600、 5300、 6000 及新增6500、7000、8000、9000、10000。

（1）蝶阀的结构组成

蝶阀本体结构部分由阀体、活门、轴承、密封、 转臂、配重块、接力器、基础部件等组成。圆筒形的阀体内安装可绕轴转动的活门，全关时活门四周与阀体接触，切断水流通路；全开时活门与水流方向平行，水从活门两侧绕过（图24-2）。

（2）蝶阀的类型

①蝶阀根据活门的结构可分为菱形、铁饼形、 平斜形、双平板形。通流式双平板蝶阀起源于20世纪60年代初，由于具有水力性能好、设计制造成本低、工作安全可靠等优点而逐渐取代其他类型的蝶阀，在大中型蝶阀中占据着主导地位，并在水电站得到了广泛应用。图24-3所示的PDF152-WY-420型蝶阀是卧轴双平板蝶阀的典型结构。

②蝶阀按阀轴的布置方式可分为立轴（立式） 和卧轴（卧式）两种，如图24-4和图24-5所示。根据国内实际运行经验，两种类型各有优势，在水力性能上没有明显差别，因此都得到广泛的应用。各制造厂往往根据自己的经验以及用户的需要设计和生产不 同类型的蝶阀。这两种类型的蝶阀水力性能没有明显差别，均得到广泛采用。其各自特点如下：

a立轴蝶阀的操作机构位于阀的顶部，有利于防潮和运行人员维护检修，但需要有一个刚度很大的支座固定在阀体上，下端轴承端部需安装推力轴承，以支承活门的重量，结构较为复杂。卧轴蝶阀的操作机构可布置在阀体的一侧或两侧，利用混凝土地基作基础，不需要支持阀门重量的推力轴承，因此，结构比较简单。

b.立轴蝶阀阀体的组合面大多在水平位置上， 在电站安装中可以就地逐件装拆；卧轴蝶阀阀体的组合面大多在垂直位置，在电站安装中往往要在安装间装配好后，整体吊到安装位置，因此使电站的安装与检修较为复杂。

c.由于操作机构位置不同，立轴蝶阀比卧轴蝶阀布置紧凑，占用厂房面积小。

d.立轴蝶阀的下部轴承容易沉积泥沙，且很难防止，要定期清洗，否则下部轴承容易磨损，甚至引起活门下沉，影响封水性能。卧轴蝶阀无此问题。

e.臣卜式蝶阀的轴两侧由于上下高度不同的水压差产生净水力矩差，利用净水力矩差，可使接力器的操作容量减小一些，尤其是采用偏心蝶阀，效果更显著。

由于立轴蝶阀下部轴承沉积泥沙，磨损很难防止，因此，在一般情况下，特别是多泥沙河道，宜优先选用卧式蝶阀。

（3）蝶阀的主要部件

①阀体是蝶阀的重要部件，由于其本身要承担内水压力，并支撑蝶阀的全部部件，承受操作力和力矩，因此应有足够的强度和刚度。

阀体应设计成整体结构，这样阀体的刚度较好， 取消了分瓣面密封，对活门主密封也大有好处，口径较小、工作水头不高的蝶阀阀体，可釆用铸铁铸造。 大中型阀体多采用铸钢或钢板焊接结构。直径较大的大型蝶阀体由于尺寸很大，铸钢工艺和质量难以保 证，以采用钢板焊接结构为宜。

阀体分瓣与否取决于运输、制造和安装条件。当活门与阀轴为整体结构或不宜拆卸时可采用两瓣组合。直径4m以上的阀体，受运输条件的限制，也需做成两瓣或四瓣组合。分瓣面布置在与阀轴垂直的平面上或偏离一个角度。

阀体的宽度要根据阀轴轴承的大小、阀体的刚度和强度、组合面螺栓分布位置等因素综合考虑决定。

阀体下部的地脚螺栓，承受阀体的全部重量、阀内水重量及活门操作时传来的反力和力矩。在地脚螺栓和螺栓孔的配合处，应按水流方向留有30〜50mm的间隙，以便伸缩节配合进行阀门的安装和拆卸。

②活门在全关位置时承受全部水压力，在全开位置时，处在水流中心，因此，活门除应具有良好的强度、刚度外，还要求有良好的水力性能，以减少全开时的水力损失。偏心结构的活门具有水力自关闭特性，活门可以在机组紧急状态下，实现动水自关闭，保证机组安全。筋板与盖板的迎水面与出水面采用翼形设计，使活门获得良好的流态，避免活门在紊流中抖动，并保证全开时流阻系数不大于0.15。活 门轴插人活门孔后打销的连接方式，使销子传递转矩。活门轴一般采用锻钢，活门一般采用钢板焊接。 活门用铸铁或铸钢制造，常用空心框架结构。为保证强度、刚度，活门的厚度随应用水头的提高而增大。

如图24-6所示为常见的几种活门形状。

图24-6 （a）所示为菱形，结构简单、水力系数zui小，但强度较弱，仅适用于工作水头较低的电站。

图24-6 （b）所示为圆弧或抛物线圆滑过渡的铁饼形结构，水力阻力系数较菱形和平斜形大，但强度较大，适用于高水头电站。

图24-6 （c）所示为平斜形活门。中间部分为矩形，两侧为三角形，适用于直径大于4m的分瓣组合蝶阀，水力阻力系数介于菱形和铁饼形之间。

图24-6 （d）所示为双平板形活门。封水面与转轴不在同一平面上，密封设在上游平板的外缘。活门两侧各有一块圆形面板，两块面板互相平行，用若干顺水流方向的筋板连接成整体。全开时两平板之间也可通过水流，水力系数小，全关时由于活门呈桁架式结构，可承受较大的静水压力，而且密封性能好。但不易做成分瓣组合式结构，并受加工、运输条件的限制，一般用直径小于4m的蝶阀。

活门在阀体内绕阀轴转动，转轴大多与活门直径重合。卧轴蝶阀也有采用偏心结构的，使转轴上、下的活门表面积相差8%〜10%，活门一旦离开全开位置就会受到促使它关闭的动水力矩作用，这有利于在动水中迅速关闭。

③轴承用来支承阀轴。轴承一般采用自润滑轴承，自润滑轴承大体分为镶嵌式、烧结式、高分子纤维式三类。轴承也有用铸造锡青铜制作轴瓦，轴瓦压装在钢套上，钢套用螺栓固定在阀体上，以便检修轴瓦。

卧轴蝶阀有左、右两个导轴承，立轴蝶阀除上、 下导轴承外，还有支承活门重量的推力轴承。

④蝶阀的密封分为活门主密封和阀轴密封两部分。活门主密封有整圈实心橡胶密封结构及充气式橡胶密封圈结构两种。

a.活门主密封采用整圈实心橡胶密封结构[图 24-7 （a）]，其密封预紧量可以通过压板进行微调， 可在不拆卸阀体的情况下检修或更换密封圈。在全关位置受水压力的作用，橡胶密封圈紧紧压在密封座上，封住上游压力水。

b.活门主密封采用充气式橡胶密封圈结构[图 24-7 （b）],实质为一种柔性密封结构，和气力除灰系统用圆顶阀的密封及工作原理一样，活门关闭后向橡胶密封圈充人压缩空气，使橡胶密封圈膨胀紧紧压在密封座上，消除漏水间隙。橡胶密封圈充气压力应 比静水压力高0. 1〜0. 3MPa。

过去活门主密封采用充气式橡胶密封结构，双平板型活门大多布置在阀门上游侧，铁饼型活门大多布置在阀门中部，现在双平板型活门大多布置在阀门下游侧，靠活门承压后的挠度变形来达到挤紧密封。

由于蝶阀水头较低，一般阀轴密封采用0形橡胶圈密封，近些年随着密封技术的提高，多采用U形或V形组合密封填料，以增加密封的寿命。阀轴与轴承和轴头密封接触表面做硬化处理，增加阀轴的抗磨蚀能力，与活门的连接采用切向圆柱销，轴瓦采用的是自润滑轴承。阀轴与转臂之间采用销套式连接方式。阀轴轴头处设有钢套，钢套外侧设两道密封， 内侧设两道密封，一道接近阀体内圆，另一道在阀体外侧，防止泥沙进入轴瓦，既可保证钢套拆卸方便， 又可保证活门转动灵活，封水可靠。

⑤锁定装置为防止误操作系统失控时活门被水流冲击而发生自动作，蝶阀配有锁定装置。在活门全关或全幵位置时应投人锁定，保持活门位置。

⑥蝶阀接力器分环形接力器和摇摆直缸接力器两种。早期采用环形接力器，由于环形接力器加工与装拆维护难度大，现已基本不再采用。摇摆直缸接力器加工与装拆维护方便，现在已经基本取代了环形接力器。摇摆直缸接力器下部用铰链与地基连接，工作时随着转臂摆动，重锤通过螺钉连接并紧固在转臂上，为了适应缸体的摆动，接力器的进出油管在接力器本体附近采用高压软管或专门的供油装置。蝶阀的地脚承受蝶阀的全部重量和操作活门时传来的力和力矩，而不考虑承受作用在活门上的轴向水推力，该水推力应由上游连接钢管传到混凝土上。一般来说，大中型蝶阀采用双接力器，接力器分别布置在阀轴两端上，且在阀轴线的同侧，这样布置使蝶阀的阀轴和基础受力均匀，总体结构合理。小型蝶阀往往采用单个接力器。

⑦阀附属结构除本体外，蝶阀还设有上游连接管、下游连接管、伸缩节、液压旁通阀、空气阀和排水阀。上游连接管与上游压力钢管通过焊接相连； 下游连接管通过法兰与水轮机蜗壳相连；伸缩节设于蝶阀的下游侧，其作用是便于阀门的安装和拆卸，同时补偿由于温度变化、地基下沉不均等原因造成的钢管变形；旁通阀的作用是当活门开启前，使活门上下游侧的压力达到平衡；空气阀的作用是当钢管充水时排气，钢管排水时进气；排水阀通常用于钢管的排水。

（4）操作方式、控制机构组成部分及控制原理

在正常情况下，蝶阀通常是通过油压操作接力器来动作，蝶阀操作的方式如下：

①开阀时，活门上下游侧先通过旁通阀进行注水平压，平压后在静水中实现开启。

②蝶阀正常关阀情况是静水关阀，即先停机，活门通过接力器的油压和重锤在静水中实现关闭，密封水流，如果此时蝶阀接力器失去油压，可恢复压力后操作关闭或通过重锤的力矩、活门的偏心力矩直接关闭。

③蝶阀非正常关闭情况是动水关阀，即当导水机构失灵机组无法正常停机时，强迫启动蝶阀切断水流。

④在事故情况下，即导水机构失灵机组无法正常停机，同时蝶阀接力器又恰好失去油压，这时蝶阀可以通过重锤的力矩、活门的偏心力矩及动水力矩在动水中实现紧急关闭。

⑤蝶阀在动水关阀后应做仔细全面检查，在确认工作正常后方可重新使用。

蝶阀的控制机构主要包括控制柜、自动化元件， 同时还设有一套提供给蝶阀和旁通阀的操作压力油的油压装置。控制柜包括机械液压部件和电气控制组件，分层装设，控制柜一般采用PLC对蝶阀及其附

属设备（锁定及旁通阀）进行自动控制。自动化控制元件主要包括电磁配压阀、四通滑阀、差压变送器及限位开关等，一般除限位开关外的自动化控制元件都装于控制柜中。

（5）蝶阀的开启过程

①开启条件是导叶全关，机组无停机信号，蝶阀无关闭信号，蝶阀锁定已拔出。

②发出开启蝶阀信号。

③通过动作电磁配压阀开启旁通阀进行平压。

④平压后差压变送器发出信号。

⑤通过动作电磁配压阀和四通滑阀开启蝶阀。

⑥蝶阀开启至全开位置，全开位置限位开关发出信号。

⑦通过动作电磁配压阀关闭旁通阀。

⑧蝶阀开启过程结束。

（6）蝶阀的关闭过程

①发出关闭蝶阀信号。

②通过动作电磁配压阀和四通滑阀关闭蝶阀。

③蝶阀关闭至全关位置，全关位置限位开关发出信号。

④通过动作电磁配压阀投入蝶阀液压锁定并发出投入信号（如果设有液压锁定装置）。

⑤蝶阀关闭过程结束。