水轮机进水阀及常用阀门

第1章水轮机进水阀及常用阀门主要内容1、进水阀的作用及设置条件2、进水阀的型式及其主要构件3、进水阀的操作系统4、水电站常用阀门的种类、作用与结构重点难点1、进水阀的作用2、蝴蝶阀、球阀和筒形阀的结构与特点3、蝴蝶阀的操作条件及操作过程第1.1节进水阀的作用及设置条件1、进水阀定义水轮机进水阀安装在水轮机进口前的阀门称为水轮机进水阀，又称主阀。进水阀多安装在压力管道与蜗壳进口之间（蝶阀和球阀等），也有的安装在固定导叶与活动导叶之间（筒形阀）。2、进水阀作用1作为机组过速的后备保护；（调速系统故障时能紧急切断水流，以防飞逸事故）2、进水阀作用2停机时减少机组漏水量和缩短开停机时间；（停机时导叶关闭不严）（高水头长引水管道）3提高水轮机运行的灵活性和速动性；4机组检修时，用于截断水轮机上游的水流。（岔管引水检修机组时不影响其他机组正常运行）3、进水阀设置条件：进水阀在一些电站起着非常重要的作用，但并非所有电站均应设置进水阀。1轴流式（水头低、管道短、单元布置）：设进口快速闸门，可不设进水阀2贯流式（水头低、流量大）：水轮机进口或尾管出口设快速闸门3混流式（水头高）设置时应考虑：单管多机：每台水轮机前设置进水阀；水头大于150m的单元引水：进水口设置快速闸门，同时在水轮机前设置进水阀；最大水头小于150m的短管单元引水：进水口设置快速闸门，在水轮机前可不设置进水阀。进口设事故闸门的单元引水，泥沙多利用小时低且无其他防飞逸措施：设置进水阀。4、进水阀技术要求：进水阀是机组和水电站的重要安全保护设备，对其结构和性能有较高的要求：1工作可靠、操作简便；2全开时，水力损失小；3结构简单，外形尺寸小，重量轻；4止水性能好；5阀门本身及其操作机构的结构和强度应满足运行的要求（比如承压能力）；6机组事故时，能在动水下安全、可靠、迅速关闭5、进水阀的工作状态：进水阀通常只有全开或全关两种工作状态。不宜作部分开启来调节流量（水流稳定破坏、引起机组振动、水力损失过大）进水阀一般不允许在动水情况下开启，因为这样需更大的操作功，同时还伴随着产生强大的振动，从运行的角度也没有必要。第1.2节进水阀的型式及其主要构件大中型水轮机进水管道上的阀门，常用的有蝴蝶阀、球阀和筒形阀三种；中小型水轮机还有转筒阀、闸阀等。1、蝴蝶阀（适用于最大工作水头在250m以下）1装置结构蝴蝶阀，简称蝶阀，主要由圆筒形的阀体和可在其中绕轴转动的活门以及阀轴、轴承、密封装置及操作机构等组成。阀门关闭时，活门的四周与圆筒形阀体接触，封闭水流的通路；阀门开启时，水流绕活门两侧流过。全开状态全关状态阀体活门流道阀轴立式蝶阀卧式蝶阀2装置型式蝴蝶阀有立轴和卧轴两种型式，并各有优势。立轴蝶阀具有结构紧凑，占用的场地面积小，而且立轴碟阀的操作机构位于阀体顶部，便于检修和维护，但立轴的下部轴承易积泥沙且结构要复杂一些；卧轴蝶阀正好相反，其结构相对简单，且无泥砂沉积问题。在河流泥沙较多的电站，宜选用卧式蝶阀。3装置特点蝴蝶阀的优点是外形尺寸小，重量较轻，造价便宜，构造简单，操作方便，能动水关闭。其缺点是对水的流态有影响，引起水力损失和汽蚀，密封性能不如其他阀门。4活门活门在全关位置时，承受全部水压，在全开位置时处于水流中心，因此，它不仅要有足够的刚度和强度，而且要有良好的水力性能。活门主要有如下几种结构形式：双平板形：其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平板，两平板间由若干沿水流方向的筋板连接，活门全开时，两平板之间也能通过水流，其特点是水力阻力系数小，且当活门全关后封水性能好，但受结构、加工、运输等条件的限制，一般用于直径小于4m的蝶阀。菱形：水力阻力系数最小，但其强度较弱，适用于工作水头较低的电站铁饼形：断面外形由圆弧或抛物线构成，其水力阻力系数较菱形和平斜形大，但强度较好，适用于高水头电站平斜形：断面中间部分为矩形，两侧为三角形，适用于直径大于4m的分瓣组合的蝶阀，其水力阻力系数介于菱形和铁饼形之间5密封装置（有两处需密封）端部密封（阀体与阀轴连接处）：对小型蝶阀，常采用涨圈式密封；对大中型蝶阀则采用橡胶围带式密封。周圈密封（活门外圆的圆周）：对小型蝶阀，常采用以固定在活门上的环形硬橡胶板或青铜制成的密封环，与蝶阀的阀体构成压紧式圆周密封；对大中型蝶阀，则采用以装在阀体上的橡胶空气围带与活门构成的空气围带式圆周密封。6附属部件为了确保蝶阀的正常启闭，在蝶阀上通常设有旁通阀和空气阀等附属部件。旁通管与旁通阀：是为满足蝶阀应在活门两侧平压时才能开启而专门设置的。旁通阀由旁通管与蝶阀活门的上下两侧连通。当需要开启蝶阀时，先开旁通阀对阀后充水，平压后再开启蝶阀。旁通管的断面面积，一般取蝶阀过流面积的1~2%，但经过旁通管的流量必须大于导叶的漏水量，否则无法实现平压。空气阀：为了在蝶阀关闭时向阀后补气，和在蝶阀开启前向阀后充水时排气，必须在阀门下游侧压力钢管的顶部设置空气阀。该阀由一个空心浮筒悬挂在导向活塞之下，浮筒浮在蜗壳或管道中的水面上，空气阀的通气孔与大气相通。当水还没充满钢管时，空气阀的空心浮筒在自重的作用下而开启，使蜗壳内的空气在充入的水体的排挤下，经空气阀排出；当管道和蜗壳充满水后，浮筒上浮至极限位置，蜗壳和管道与大气隔断，以防止水流外溢。当进水阀和旁通阀都关闭后，在进行蜗壳排水时，随着钢管内的水位下降，空气阀的空心浮筒在自重作用下而开启，自由空气经空气阀向蜗壳充气。7锁锭装置由于蝴蝶阀活门在稍偏离全开位置时即有自关闭水力矩，因此在全开位置必须有可靠的锁锭装置。同时，为了防止因漏油或液压系统事故以及水的冲击作用而引起误动，一般在全开或全关位置都应投入锁锭装置。销操作机构销孔阀轴2、球阀（适用于最大工作水头在200m以上）1装置结构球阀主要由阀体、活门、阀轴、轴承、密封装置及操作机构等组成。球阀通常采用卧轴型式。球阀在开启位置时，圆筒形活门的过水断面与引水钢管直通，阀门对水流不产生阻力，有利于提高水轮机的工作效率；球阀关闭时，活门旋转90度来截断水流。水流方向全开状态全关状态阀体球形活门2密封装置（有两种）工作密封：位于球阀的下游侧，主要部件有密封环和密封盖。球阀开启前，先由旁通阀向下游充水，同时将密封盖内的压力水由c孔排出，由于下游水压力的逐渐升高，在弹簧和下游水压的作用下将密封盖压入，使密封口脱开，以便开启球阀活门；当球阀关闭后，孔c关闭，压力水由活门和密封盖的护圈之间的间隙流入密封盖内腔，随着下游水压的下降，密封盖在上游水压的作用下逐渐突出，直至密封口压严为止。检修密封：为便于球阀的检修，可在球阀的上游侧再设一道检修止水密封，利用检修止水密封，为工作密封装置的检修与维护提供方便。左上侧为机械操作的密封，利用螺杆5和螺母6调整密封环，压紧密封面；左下侧为水压密封，当打开密封时，孔b接通压力水，孔a接通排水，密封环后退，密封口打开；反之孔b接通排水，孔a接通压力水，密封环前伸，密封口贴合。在球阀上仅设有工作密封的，也称为单侧密封结构的球阀；同时设有工作密封和检修密封的，称为双侧密封结构的球阀。3装置特点球阀虽然结构复杂，体笨重，造价较高，但它承受的水压高，关闭严密，启闭操作力矩小；而且由于球阀活门的刚性比蝶阀好，在动水关闭时的振幅小；球阀在全开启状态下，其水阻力近似为0。3、筒形阀（适用于工作水头在60~400m）1介绍筒形阀从结构、布置和作用等方面来说，均与常规意义上的进水阀有一定的差异。筒形阀由法国的Neyrpid公司于1947年提出，并于1962年在Monteynard水电站首次投运，之后经过不断的改进与完善而逐步得到认可。筒形阀在国内则是随着1993年在漫湾水电站的成功投运，正越来越多地得到水电行业广泛的重视与肯定。目前筒形阀在国内外的典型应用情况如下表所示。表1：筒形阀在国内外电站中的典型应用电站名称国家机组数单机容量(MW)水头(m)筒形阀外径(mm)筒体厚度(mm)筒体高度(mm)投运年份Monteynard法国4831273560759801962TeilletArgenty法国16.441.73410307461965Outardes3加拿大419614465001009641969Monicouagan3加拿大619794.2720010013151976LaGrand2加拿大16338.5137.2784612714601979Sarrans法国163.5844074858601981St-EtiennedeCantales法国138.5624074858601981L’Aigle法国113377624012013321982St-Guillenne法国25827531501002581982LaGrand4加拿大9300116.7764012014441983Coueague法国160.556520010011541984SfPierreMareges法国112173624012013321985Torrao(可逆机组)葡萄牙273.15/74.553/53.8804014514241986LaGrand2A加拿大6338138.5743013601991则连丘原苏联1822343200360罗贡原苏联66153209800400860洛夫斯克(可逆机组)原苏联7388/416.6155.46/165.61102527810491993漫湾中国5250100745010814501993小浪底中国6306112839014517102000石泉二期中国24547.5537512014852000大朝山中国622587.9793712018152001漫湾二期中国130099.2827813018902007南沙中国350181.7586011014052007光照中国4260164.4659010013402008小湾中国6700759000150135020092装置结构筒形阀主要由筒体、操动机构和同步控制机构组成。筒体是薄而短的大直径圆筒。操动机构用于控制筒体上下运动以启闭筒形阀。同步控制机构用于协调筒形阀的多套操动机构动作一致，从而保证筒形阀的平稳启闭并避免在动水关闭时水流冲击引起的晃动。3密封装置筒体与顶盖、筒体与底环间都设有密封，以减少阀门的漏水量。筒体与顶盖之间的密封称为筒形阀的上密封，筒体与底环之间的密封称为筒形阀的下密封。上密封是由水轮机顶盖底部外缘处的环形橡皮板和压板组成；下密封是由设在水轮机底环外缘的环形橡皮条和压板组成。当阀门关闭后，筒形阀上、下缘与密封橡皮压紧，实现止水。4作用主要是保护具有中、低利用系数的中、高水头的混流式水轮机的导水机构免受由于过流面与顶盖和底环间的端面泄漏引起的泥砂磨损与空蚀，并能和蝶阀或球阀一样甚至更加快速、可靠和安全地在紧急工况下切断水流。筒形阀可以替代蝶阀和球阀用于机组正常停机时的截流止水和事故停机时的过速保护，在一定情况下可替代进口快速闸门的作用。对多泥沙河流电站中承担调峰调频任务的机组，采用筒形阀的操作来实现机组的启停可有效降低导叶的磨损与空蚀。筒形阀受其结构特点和安装位置的制约，目前还无法作为机组的检修阀门使用，但国内外众多科研与设计单位正在开展相关研究工作。5优点1．筒形阀尺寸不受机组尺寸大的限制，适用范围更宽广2．可以降低电站建设的总投资3．筒形阀过流部件的水力损失小4．可有效减轻导叶的空蚀和泥沙磨损5．筒形阀操作灵活、方便6缺点1．筒形阀总体结构较复杂,有些零部件的加工精度要求高,难度大。另外安装单位的安装难度大,水轮机的安装时间相应较长2．筒形阀目前只能当事故防飞逸闸门用和截流止水用，不能当作检修闸门和防引水管道爆裂事故阀门使用。3．由于筒体靠近活动导叶,所以当有较长异物(如钢筋、长形木条)卡住活动导叶时,筒体下落关闭时亦容易卡住筒体,使之不能完全关闭,从而不能很好地保护机组。4．国内目前尚无筒形阀的设计、制造、安装等方面的标准规范。制造、设计及安装的经验较少。4、闸阀