水輪機進水閥的類型及結構特點

 由于水電站的類型多種多樣，條件、要求各不相同，因而產生了多種類型的進水閥。比較廣泛采用的類型有：蝶閥、球閥、閘閥和圓筒閥。

24.4.1 蝶閥

蝶閥與其他類型進水閥比較，具有結構簡單、外形尺寸小、重量輕、造價低、操作方便等優點，缺點是活門剛性差，撓度大，密封不當，漏水量大，活門在水流中造成一定的水力損失，特別在高水頭時，活門厚度大，影響更甚。它的密封性能也不如其他類型 的進水閥，當密封環在啟閉過程中被擦傷或磨損時， 漏水量將更大。

一般情況下，蝶閥主要適用于低水頭、大直徑的水電站，蝶閥的zui高使用水頭不宜超過240m;更高水頭時，應與球閥和圓筒閥做選型比較。目前世界上已投運的蝶閥，zui大公稱直徑為10m，zui高工作水頭為640m。

蝶閥?%8 般安裝在水輪機蝸殼前端，其過流凈面積 一般大于或等于蝸殼進口截面面積，一般取與鋼管直徑相同或小于壓力鋼管大于蝸殼進口直徑。

蝶閥的直徑（mm）按大中型水輪機進水閥門系列推薦標準為 1000、1250、1500、1750、2000、 2250、 2500、 2800、 3400、 4000、 4600、 5300、 6000 及新增6500、7000、8000、9000、10000。

（1）蝶閥的結構組成

蝶閥本體結構部分由閥體、活門、軸承、密封、 轉臂、配重塊、接力器、基礎部件等組成。圓筒形的閥體內安裝可繞軸轉動的活門，全關時活門四周與閥體接觸，切斷水流通路；全開時活門與水流方向平行，水從活門兩側繞過（圖24-2）。

（2）蝶閥的類型

①蝶閥根據活門的結構可分為菱形、鐵餅形、 平斜形、雙平板形。通流式雙平板蝶閥起源于20世紀60年代初，由于具有水力性能好、設計制造成本低、工作安全可靠等優點而逐漸取代其他類型的蝶閥，在大中型蝶閥中占據著主導地位，并在水電站得到了廣泛應用。圖24-3所示的PDF152-WY-420型蝶閥是臥軸雙平板蝶閥的典型結構。

②蝶閥按閥軸的布置方式可分為立軸（立式） 和臥軸（臥式）兩種，如圖24-4和圖24-5所示。根據國內實際運行經驗，兩種類型各有優勢，在水力性能上沒有明顯差別，因此都得到廣泛的應用。各制造廠往往根據自己的經驗以及用戶的需要設計和生產不 同類型的蝶閥。這兩種類型的蝶閥水力性能沒有明顯差別，均得到廣泛采用。其各自特點如下：

a立軸蝶閥的操作機構位于閥的頂部，有利于防潮和運行人員維護檢修，但需要有一個剛度很大的支座固定在閥體上，下端軸承端部需安裝推力軸承，以支承活門的重量，結構較為復雜。臥軸蝶閥的操作機構可布置在閥體的一側或兩側，利用混凝土地基作基礎，不需要支持閥門重量的推力軸承，因此，結構比較簡單。

b.立軸蝶閥閥體的組合面大多在水平位置上， 在電站安裝中可以就地逐件裝拆；臥軸蝶閥閥體的組合面大多在垂直位置，在電站安裝中往往要在安裝間裝配好后，整體吊到安裝位置，因此使電站的安裝與檢修較為復雜。

c.由于操作機構位置不同，立軸蝶閥比臥軸蝶閥布置緊湊，占用廠房面積小。

d.立軸蝶閥的下部軸承容易沉積泥沙，且很難防止，要定期清洗，否則下部軸承容易磨損，甚至引起活門下沉，影響封水性能。臥軸蝶閥無此問題。

e.臣卜式蝶閥的軸兩側由于上下高度不同的水壓差產生凈水力矩差，利用凈水力矩差，可使接力器的操作容量減小一些，尤其是采用偏心蝶閥，效果更顯著。

由于立軸蝶閥下部軸承沉積泥沙，磨損很難防止，因此，在一般情況下，特別是多泥沙河道，宜優先選用臥式蝶閥。

（3）蝶閥的主要部件

①閥體是蝶閥的重要部件，由于其本身要承擔內水壓力，并支撐蝶閥的全部部件，承受操作力和力矩，因此應有足夠的強度和剛度。

閥體應設計成整體結構，這樣閥體的剛度較好， 取消了分瓣面密封，對活門主密封也大有好處，口徑較小、工作水頭不高的蝶閥閥體，可釆用鑄鐵鑄造。 大中型閥體多采用鑄鋼或鋼板焊接結構。直徑較大的大型蝶閥體由于尺寸很大，鑄鋼工藝和質量難以保 證，以采用鋼板焊接結構為宜。

閥體分瓣與否取決于運輸、制造和安裝條件。當活門與閥軸為整體結構或不宜拆卸時可采用兩瓣組合。直徑4m以上的閥體，受運輸條件的限制，也需做成兩瓣或四瓣組合。分瓣面布置在與閥軸垂直的平面上或偏離一個角度。

閥體的寬度要根據閥軸軸承的大小、閥體的剛度和強度、組合面螺栓分布位置等因素綜合考慮決定。

閥體下部的地腳螺栓，承受閥體的全部重量、閥內水重量及活門操作時傳來的反力和力矩。在地腳螺栓和螺栓孔的配合處，應按水流方向留有30?50mm的間隙，以便伸縮節配合進行閥門的安裝和拆卸。

②活門在全關位置時承受全部水壓力，在全開位置時，處在水流中心，因此，活門除應具有良好的強度、剛度外，還要求有良好的水力性能，以減少全開時的水力損失。偏心結構的活門具有水力自關閉特性，活門可以在機組緊急狀態下，實現動水自關閉，保證機組安全。筋板與蓋板的迎水面與出水面采用翼形設計，使活門獲得良好的流態，避免活門在紊流中抖動，并保證全開時流阻系數不大于0.15。活 門軸插人活門孔后打銷的連接方式，使銷子傳遞轉矩。活門軸一般采用鍛鋼，活門一般采用鋼板焊接。 活門用鑄鐵或鑄鋼制造，常用空心框架結構。為保證強度、剛度，活門的厚度隨應用水頭的提高而增大。

如圖24-6所示為常見的幾種活門形狀。

圖24-6 （a）所示為菱形，結構簡單、水力系數zui小，但強度較弱，僅適用于工作水頭較低的電站。

圖24-6 （b）所示為圓弧或拋物線圓滑過渡的鐵餅形結構，水力阻力系數較菱形和平斜形大，但強度較大，適用于高水頭電站。

圖24-6 （c）所示為平斜形活門。中間部分為矩形，兩側為三角形，適用于直徑大于4m的分瓣組合蝶閥，水力阻力系數介于菱形和鐵餅形之間。

圖24-6 （d）所示為雙平板形活門。封水面與轉軸不在同一平面上，密封設在上游平板的外緣。活門兩側各有一塊圓形面板，兩塊面板互相平行，用若干順水流方向的筋板連接成整體。全開時兩平板之間也可通過水流，水力系數小，全關時由于活門呈桁架式結構，可承受較大的靜水壓力，而且密封性能好。但不易做成分瓣組合式結構，并受加工、運輸條件的限制，一般用直徑小于4m的蝶閥。

活門在閥體內繞閥軸轉動，轉軸大多與活門直徑重合。臥軸蝶閥也有采用偏心結構的，使轉軸上、下的活門表面積相差8%?10%，活門一旦離開全開位置就會受到促使它關閉的動水力矩作用，這有利于在動水中迅速關閉。

③軸承用來支承閥軸。軸承一般采用自潤滑軸承，自潤滑軸承大體分為鑲嵌式、燒結式、高分子纖維式三類。軸承也有用鑄造錫青銅制作軸瓦，軸瓦壓裝在鋼套上，鋼套用螺栓固定在閥體上，以便檢修軸瓦。

臥軸蝶閥有左、右兩個導軸承，立軸蝶閥除上、 下導軸承外，還有支承活門重量的推力軸承。

④蝶閥的密封分為活門主密封和閥軸密封兩部分。活門主密封有整圈實心橡膠密封結構及充氣式橡膠密封圈結構兩種。

a.活門主密封采用整圈實心橡膠密封結構[圖 24-7 （a）]，其密封預緊量可以通過壓板進行微調， 可在不拆卸閥體的情況下檢修或更換密封圈。在全關位置受水壓力的作用，橡膠密封圈緊緊壓在密封座上，封住上游壓力水。

b.活門主密封采用充氣式橡膠密封圈結構[圖 24-7 （b）],實質為一種柔性密封結構，和氣力除灰系統用圓頂閥的密封及工作原理一樣，活門關閉后向橡膠密封圈充人壓縮空氣，使橡膠密封圈膨脹緊緊壓在密封座上，消除漏水間隙。橡膠密封圈充氣壓力應 比靜水壓力高0. 1?0. 3MPa。

過去活門主密封采用充氣式橡膠密封結構，雙平板型活門大多布置在閥門上游側，鐵餅型活門大多布置在閥門中部，現在雙平板型活門大多布置在閥門下游側，靠活門承壓后的撓度變形來達到擠緊密封。

由于蝶閥水頭較低，一般閥軸密封采用0形橡膠圈密封，近些年隨著密封技術的提高，多采用U形或V形組合密封填料，以增加密封的壽命。閥軸與軸承和軸頭密封接觸表面做硬化處理，增加閥軸的抗磨蝕能力，與活門的連接采用切向圓柱銷，軸瓦采用的是自潤滑軸承。閥軸與轉臂之間采用銷套式連接方式。閥軸軸頭處設有鋼套，鋼套外側設兩道密封， 內側設兩道密封，一道接近閥體內圓，另一道在閥體外側，防止泥沙進入軸瓦，既可保證鋼套拆卸方便， 又可保證活門轉動靈活，封水可靠。

⑤鎖定裝置為防止誤操作系統失控時活門被水流沖擊而發生自動作，蝶閥配有鎖定裝置。在活門全關或全幵位置時應投人鎖定，保持活門位置。

⑥蝶閥接力器分環形接力器和搖擺直缸接力器兩種。早期采用環形接力器，由于環形接力器加工與裝拆維護難度大，現已基本不再采用。搖擺直缸接力器加工與裝拆維護方便，現在已經基本取代了環形接力器。搖擺直缸接力器下部用鉸鏈與地基連接，工作時隨著轉臂擺動，重錘通過螺釘連接并緊固在轉臂上，為了適應缸體的擺動，接力器的進出油管在接力器本體附近采用高壓軟管或專門的供油裝置。蝶閥的地腳承受蝶閥的全部重量和操作活門時傳來的力和力矩，而不考慮承受作用在活門上的軸向水推力，該水推力應由上游連接鋼管傳到混凝土上。一般來說，大中型蝶閥采用雙接力器，接力器分別布置在閥軸兩端上，且在閥軸線的同側，這樣布置使蝶閥的閥軸和基礎受力均勻，總體結構合理。小型蝶閥往往采用單個接力器。

⑦閥附屬結構除本體外，蝶閥還設有上游連接管、下游連接管、伸縮節、液壓旁通閥、空氣閥和排水閥。上游連接管與上游壓力鋼管通過焊接相連； 下游連接管通過法蘭與水輪機蝸殼相連；伸縮節設于蝶閥的下游側，其作用是便于閥門的安裝和拆卸，同時補償由于溫度變化、地基下沉不均等原因造成的鋼管變形；旁通閥的作用是當活門開啟前，使活門上下游側的壓力達到平衡；空氣閥的作用是當鋼管充水時排氣，鋼管排水時進氣；排水閥通常用于鋼管的排水。

（4）操作方式、控制機構組成部分及控制原理

在正常情況下，蝶閥通常是通過油壓操作接力器來動作，蝶閥操作的方式如下：

①開閥時，活門上下游側先通過旁通閥進行注水平壓，平壓后在靜水中實現開啟。

②蝶閥正常關閥情況是靜水關閥，即先停機，活門通過接力器的油壓和重錘在靜水中實現關閉，密封水流，如果此時蝶閥接力器失去油壓，可恢復壓力后操作關閉或通過重錘的力矩、活門的偏心力矩直接關閉。

③蝶閥非正常關閉情況是動水關閥，即當導水機構失靈機組無法正常停機時，強迫啟動蝶閥切斷水流。

④在事故情況下，即導水機構失靈機組無法正常停機，同時蝶閥接力器又恰好失去油壓，這時蝶閥可以通過重錘的力矩、活門的偏心力矩及動水力矩在動水中實現緊急關閉。

⑤蝶閥在動水關閥后應做仔細全面檢查，在確認工作正常后方可重新使用。

蝶閥的控制機構主要包括控制柜、自動化元件， 同時還設有一套提供給蝶閥和旁通閥的操作壓力油的油壓裝置。控制柜包括機械液壓部件和電氣控制組件，分層裝設，控制柜一般采用PLC對蝶閥及其附

屬設備（鎖定及旁通閥）進行自動控制。自動化控制元件主要包括電磁配壓閥、四通滑閥、差壓變送器及限位開關等，一般除限位開關外的自動化控制元件都裝于控制柜中。

（5）蝶閥的開啟過程

①開啟條件是導葉全關，機組無停機信號，蝶閥無關閉信號，蝶閥鎖定已拔出。

②發出開啟蝶閥信號。

③通過動作電磁配壓閥開啟旁通閥進行平壓。

④平壓后差壓變送器發出信號。

⑤通過動作電磁配壓閥和四通滑閥開啟蝶閥。

⑥蝶閥開啟至全開位置，全開位置限位開關發出信號。

⑦通過動作電磁配壓閥關閉旁通閥。

⑧蝶閥開啟過程結束。

（6）蝶閥的關閉過程

①發出關閉蝶閥信號。

②通過動作電磁配壓閥和四通滑閥關閉蝶閥。

③蝶閥關閉至全關位置，全關位置限位開關發出信號。

④通過動作電磁配壓閥投入蝶閥液壓鎖定并發出投入信號（如果設有液壓鎖定裝置）。

⑤蝶閥關閉過程結束。