1 水轮机进水阀及常用阀门

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。
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
法国 加拿大 加拿大 加拿大 法国 法国 法国 法国
加拿大
法国 法国 葡萄牙 加拿大 原苏联 原苏联 原苏联 中国
中国 中国 中国
中国 中国
中国 中国
2>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。
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）。
水轮机进水阀
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）
阀体
球形活门
水流方向
全开状态
全关状态
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。
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
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。
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。
立式蝶阀
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：
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。
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。
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。
阀轴
阀体 活门
流道
全开状态
全关状态
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。
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 。
表1：筒形阀在国内外电站中的典型应用 电站名称 国家 法国 机组数 4 单机容量(MW) 83 16.4 4 6 16 1 1 1 2 9 1 1 2 6 1 6 7 5 6 2 6 1 3 4 6 196 197 338.5 63.5 38.5 133 58 300 60.5 121 73.15/74.5 338 82 615 388/416.6 250 306 45 225 300 50 260 700 水头(m) 127 41.7 144 94.2 137.2 84 62 77 275 116.7 56 73 53/53.8 138.5 234 320 155.46/165.6 100 112 47.5 87.9 99.2 181.7 164.4 75 筒形阀外径(mm) 3560 3410 6500 7200 7846 4074 4074 6240 3150 7640 5200 6240 8040 7430 3200 9800 11025 7450 8390 5375 7937 8278 5860 6590 9000 400 278 108 145 120 120 130 110 100 150 筒体厚度(mm) 75 30 100 100 127 85 85 120 100 120 100 120 145 筒体高度(mm) 980 746 964 1315 1460 860 860 1332 258 1444 1154 1332 1424 1360 360 860 1049 1450 1710 1485 1815 1890 1405 1340 1350 1993 1993 2000 2000 2001 2007 2007 2008 2009 投运年份 1962 1965 1969 1976 1979 1981 1981 1982 1982 1983 1984 1985 1986 1991
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。
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。
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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
销孔
阀轴
操作机构
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。
Monteynard Teillet Argenty Outardes 3 Monicouagan 3 La Grand 2 Sarrans St-Etienne de Cantales L’Aigle St-Guillenne La Grand4 Coueague Sf Pierre Mareges Torrao(可逆机组) La Grand 2A 则连丘 罗贡 洛夫斯克(可逆机组) 漫湾 小浪底 石泉二期 大朝山 漫湾二期 南沙 光照 小湾
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 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。
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。