球閥的工作原理及結構特點

 球閥一般安裝在水輪機蝸殼前端，其公稱直徑一般等于壓力鋼管直徑。

球閥的直徑按大中型水輪機進水閥門系列推薦標準為DN500、DN650、DN800、DN1000, DN1300,DN1600、DN2000, DN2400 及新增 DN2500、DN2800,DN3000、DN3400, DN3500、DN4000, DM600。

球閥的優點是承受的水頭高；活門剛性好，撓度變形小，密封性能好；密封裝置不宜磨損；活門全開時，其過水孔和管道內徑一致，幾乎沒有水力損失， 由于采用柔性密封結構，啟閉球閥時所需操作力矩小，而且由于球閥活門的剛性比蝶閥活門的剛性高， 所以在動水關閉時的振幅比蝶閥小，這對動水緊急關閉極其有利。其缺點是外形尺寸較蝶閥大，重量大， 結構復雜，制造工藝復雜，造價高。

一般情況下，球閥主要用于高水頭水電站，工作水頭一般在240m以上；低于240m水頭時，應與蝶閥和圓筒閥做選型比較。目前世界上已制成的球閥zui大直徑達4. 6m,已制成的球閥中zui高工作水頭達1700m。

（1）球閥的主要構成部分及作用

進水球閥主要由主閥部分、驅動部分、旁通管路、上游湊合節、下游伸縮節、鎖定部分、支撐部分及配套部分八大部分組成（圖24-8）。

①主閥部分（標配）：包括閥體、球體、閥桿及閥座（活塞止水環）等，該部分是整個閥門的核心，其作用是接通或切斷水流。

②驅動部分（標配）：對于電動操作的水輪機進水球閥，其驅動部分為電動裝置；對于液動操作進水球閥，其驅動部分為液壓接力器與拐臂（對于搖擺缸）等，該部分的作用是驅動主閥進行啟閉動作。

③旁通管路（推薦采用）：包括旁通閥、檢修閥 （僅用于旁通閥）、鋼管、彎頭等，該部分的作用是在閥門啟閉前平衡上下游壓差，避免在全壓差下啟閉閥門出現水錘現象以及有效地降低閥門的操作力矩。

④上游湊合節（對液動止水環式水輪機進水球閥為標配，對其余兩類為選配）：用于閥門與上游端壓力鋼管進行連接，連接方式通常為焊接，并且會預留50?100mm的焊接配割余量。

⑤下游伸縮節（對液動止水環式水輪機進水球閥為標配，對其余兩類為選配）：包括插管與活動法蘭兩部分，用于閥門與下游水輪機進水蝸殼連接，連接方式為法蘭連接。通過伸縮節的方式，一方面可方便對閥門自身進行檢修維護，另一方面可適應由于溫 度、壓力的變化造成的管道軸向膨脹或收縮。

⑥鎖定部分（選配）：主要包括上游檢修密封鎖定及接力器鎖定。主要用于防止由于誤操作帶來的閥門誤動作，保證系統的安全性及可靠性。

⑦支撐部分：包括主閥與接力器底座，底座通過地腳螺栓安裝于混凝土支墩上，用于支撐閥門的重量及為搖擺式接力器提供固定轉軸。

⑧配套部分：該部分用于控制閥門的驅動部分， 為驅動裝置提供動力源，并使閥門按照預先設定的程序進行動作。

（2）球閥的類型特點

按閥軸的布置方式可分為立式和臥式兩種，立式球閥因結構復雜，運行中存在積沙易卡等缺點，已被淘汰。在一般情況下宜優先選用臥式布置，理由與蝶閥基本相同。臥式球閥的密封類型有單面和雙面兩種，雙面密封可在不放空壓力引水管的情況下，對其工作密封等進行檢修。

球閥全開時，圓筒形活門的過水斷面與壓力引水管道直通，相當于一段鋼管，對水流幾乎不產生阻力，水力損失很小，也不會產生振動。當全關時，活門旋轉90°，由其密封裝置截斷水流。

球閥關閉嚴密，漏水極少；止水環在活門活動時不受摩擦，不易磨損；全開時水流條件好，幾乎沒有水力損失；啟閉時操作力矩很?。▌铀僮鲿r只有摩擦力矩5%左右的水阻力），有利于動水緊急關閉。 但結構復雜，體積、重量大、造價高。

（3）球閥的結構特點

①不銹鋼活塞式止水環液動止水環式水輪機進水球閥采用不誘鋼活塞式止水環來密封止水，通過油壓或水壓來控制止水環的投人與退出（圖24-9）。每

臺閥門設兩個止水環，上游側為檢修密封，下游側為工作密封。檢修密封設手動鎖緊裝置，正常工作時檢修密封處于常開狀態，只在機組檢修時投入，為保證下游檢修的安全性，應手動將鎖定投入。工作密封在閥門關閉時投入，在球體動作前退出，為保證閥門能 在緊急情況下迅速關閉，在閥門達到全開后，工作密封仍然處于退出狀態。

通過變換進油（或水）的方向來控制止水環的動作方向，以滿足操作的需要。止水環與閥體及端蓋之間的密封釆用雙重0形圈，并且可通過設置PTFE 擋圈的方式來減小0形圈的磨損。止水環的材料通常為不銹鋼12Crl3。

②可更換的活門密封環因止水環式水輪機進水球閥通常用于水質較差、水頭較高的電站，所以惡劣的工況對閥門的損耗是非常嚴重的，特別是對密封面的磨損非常厲害。為了提高閥門的可維護性，液動止水環式水輪機進水球閥將閥門的密封環設計為可拆卸可更換結構，在閥門長期使用活門密封環發生嚴重磨損后，可僅對密封環進行更換而不需要更換活門或另購閥門，這將大大提高閥門主體的使用壽命，同時也會大大降低資金投入。

活門主要由活門體、密封環、0形圈、螺釘及定位銷（圖24-10）組成。密封環通過一組螺釘固定在活門體相應部位；密封環與活門體之間的密封靠〇形圈來保證；定位銷的作用在于密封環與活門體的準確定位，以免密封環更換以后與活門體發生裝配錯位。密封環的材料通常為20013。

③更輕便的活門結構液動止水環式水輪機進水球閥經過多年的實踐，摒棄了之前常用的完整球形活門結構，而采用了類球狀結構，大大減輕了活門的重量（圖24-11）。一方面可以節省不少投資，另一方面亦可緩解活門自重對閥殼帶來的受力影響。

為保證活門具有足夠的強度與剛度，液動止水環式水輪機進水球閥在活門的相應部位設置加強筋，保證了閥門的整體可靠性。活門材料通常為WCB碳素鑄鋼。

④方便更換止水環的結構液動止水環式水輪機進水球閥*的結構可保證在不將閥門拆開或不從管道上拆下的情況下，對閥門止水環進行維修及更換。

止水環尾部設有拔出螺孔，當止水環損壞時，可 依次拆下伸縮節（或湊合節）、端蓋，再用工具將止水環取出（圖24-12）。止水環修復或更換后，亦可按照上述相反的順序進行裝配。整個過程不需要對閥門進行解體，極大地方便了閥門的維修維護。

⑤更加合理的行程指示桿為了滿足復雜的順序控制需要，液動止水環式水輪機進水球閥需要提供各種信號，止水環投入與拔出的信號就是其中之一。它是判斷活門是否可以進行轉動條件的*條件，因此該信號的準確性將直接影響到整個閥門動作的準確性。

傳統行程指示桿通過螺紋與止水環連在一起，可將止水環的活塞動作狀態*反映到指示桿上（圖 24-13） 0但此種結構的缺點在于：

a.裝配時必須保證止水環、端蓋與伸縮節（湊合節）之間有非常的定位，否則無法安裝指示桿。

b.止水環沒有軸向定位裝置，在使用過程中可能存在沿圓周方向轉動的趨勢，很容易將指示桿卡住，這樣一來會影響止水環動作的可靠性，嚴重時還會將指示桿剪斷?？紤]到這種情況，采用了改型的行程指示桿結構。

改型的行程指示桿采用了非固定式的結構（圖

24-14）,當止水環退出時，可直接將指示桿推動，當止水環投人時，通過彈簧張力使指示桿隨之運動。該結構可很好地避免傳統結構所帶來的弊端。

⑥*伸縮節形式水輪機進水球閥伸縮節由伸縮節插管和活動法蘭兩部分組成（圖24-15），密封采用雙重（或三重）橡膠0形密封圈，為減小活動法蘭自重對0形圈的磨損擠壓，在每只0形圈背后設置PTFE擋圈，此舉可有效延長0形圈使用壽命及提高密封的可靠性。

該結構在兩個方向均設置一定的伸縮量，當閥門正常工作時，該結構可以自動適應由于壓力、溫度變化帶來的管道軸向膨脹或收縮。當對閥門進行檢修維護時（如更換止水環、活門密封圈等），拆下伸縮節與進水蝸殼法蘭及閥門部分的連接螺栓，將活動法蘭 向上游（閥門方向）推動，同時將插管向下游（進水蝸殼方向）推動，縮短伸縮節長度，騰出足夠空間滿足閥門拆裝要求（圖24-16）;當伸縮節自身的密封圈損壞需要更換時，拆下伸縮節與進水蝸殼法蘭的連接螺栓，插管不動，將活動法蘭向上游（閥門方向）推 動，直至*露出0形圈槽，此時可以非常方便地對〇形圈進行更換（圖24-17）。

⑦滿足微機監控要求水輪機進水球閥可配套提供電動或液動PLC控制柜，對于液動水電球閥， 還可配套提供油壓裝置。

控制柜應設有以下信號裝置：指示主閥開啟與關閉的信號裝置；指示旁通閥開啟與關閉的信號裝置；指示接力器鎖定投入與拔出的信號裝置；指示工作、檢修密封的信號裝置；油壓表、閥前、閥后水壓表。這些傳感器提供信號，并與控制柜和中央控制室連接，實現閥門的就地操作或中央控制，滿足微機監控的要求。

⑧滿足動水關閉的要求水輪機進水球閥根據電站的實際情況進行設計，所有數據均經過嚴格的計算及校核，zui大限度保障了運行的安全性，滿足在噴針不關閉、旁通不平壓下的緊急關斷要求。

⑨人孔結構（可選）對于SDIV900的水輪機進水球閥，根據需要，可以設計人孔結構，以方便對閥門及相關設備進行檢修。

⑩水輪機進水球閥閥軸密封閥軸密封屬于運動密封，閥軸頭處設有鋼套，鋼套外側設兩道0形密封，內側設兩道密封，一道接近閥體內圓，采用整圈O形橡膠密封，另一道在閥體外側，采用U形密封，這種封水結構的好處是泥沙不會進入軸瓦，既可保證鋼套拆卸方便，又可保證活門轉動靈活。進水球閥能在不拆開閥體的情況下更換檢修密封、工作密封及軸頸密封。

?閥軸與軸承閥軸采用鍛鋼制造，在與軸承及軸頭密封相接觸的表面堆焊有不銹鋼層，以增加抗磨蝕能力，閥軸與活門用螺栓擰合成一體。軸承采用德國進口 DEVA-BM軸承，具有良好的承載性能。

?空氣閥名義直徑為DiV200，裝在水輪機進水球閥伸縮管的頂部。當蝸殼放水時，它就自動打開。當蝸殼充水時，其內部的空氣通過空氣閥排入大氣中。當水輪機進水球閥動水關閉時，空氣閥向蝸殼及伸縮管補入空氣，以免產生真空而喪失穩定性。