瀑布沟水电站水轮机圆筒阀结构

曹 灿，武 彬，陈勇旭

（国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 汉源 625304）

瀑布沟水电站水轮机圆筒阀结构

曹 灿，武 彬，陈勇旭

（国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 汉源 625304）

介绍了瀑布沟水电站2号、4号、6号水轮机圆筒阀结构，着重介绍了圆筒阀的设置依据、作用优点、结构特点、性能参数、接力器操作系统、同步装置、操作管路及安装调整、使用效果及存在问题等情况，对水轮机圆筒阀结构的应用经验积累，具有一定的参考价值。

圆筒阀结构；设置依据；安装调整；效果问题

0 概述

瀑布沟水电站是一座以发电为主，兼有防洪、拦沙等综合效益的特大型水利水电枢纽工程。该电站装设6台混流式机组，单机容量600 MW，多年平均发电量147.9亿kW·h。水库总库容53.9亿m3，具有不完全年调节能力。瀑布沟水电站2号、4号、6号机组水轮机圆筒阀采用机械链条同步。该圆筒阀控制设备管路简单、故障率低，经过一年左右的运行实践，使用效果良好。

1 圆筒阀的设置依据

圆筒阀是水轮机的一种新型进水闸门，它装设于固定导叶与活动导叶之间，具有结构紧凑、重量轻的优点。它采用6只直缸接力器操作，用链条机构实现同步。圆筒阀全关时密封性能良好，对多泥沙电站，用以停机时保护导水机构免遭间隙空化与泥沙磨损。圆筒阀全开时缩入顶盖与座环形成的腔内，下端面与顶盖平齐，不产生水头损失。当机组产生飞逸时，可动水关闭圆筒阀，以保护机组免遭损耗。

1.1 瀑布沟水电站设置圆筒阀结构的主要原因

（1）瀑布沟水电站在电力系统中担任调峰、调频并担负事故备用，机组启、停较频繁。

（2）由于水轮机运行水头较高，汛期有一定的过机泥沙，机组在停机状态，导水叶前后因承受电站水头的差压，在导水叶立面和上下端面间隙中不可避免地存在高速水流或含沙水流，导致导水机构产生间隙空蚀或磨蚀，使导叶立面、上下端面、轴颈、上下抗磨板甚至转轮叶片进口边的上下端部受到不同程度的破坏。

（3）特别是电站经过较长时间运行后，过机泥沙含量逐年增大，导水机构损坏将加剧，导水叶的漏水量将大大增加，这样，不仅电能损失大，而且导水机构的损坏程度和导叶的漏水量大小将成为确定机组大修的决定性因素，并可能导致机组的大修周期缩短，增加电站年机组大修台时数、人工和设备材料费用以及大修期间的电能损失。

（4）能有效防止机组飞逸，确保机组安全。

1.2 瀑布沟水电站设置圆筒阀结构的优点

（1）水轮机设置圆筒阀，可有效消除水轮机停机后导水机构间隙空蚀和磨损。

（2）水轮机设置圆筒阀，减轻导水机构的快速损坏和漏水，快速、有效防止机组飞逸和确保机组安全。

（3）水轮机设置圆筒阀，可靠退出飞逸，提高机组启动的速动性、运行的灵活性和可靠性，减少导叶漏水电量损失，优点十分突出。

（4）圆筒阀阀体的上、下游间隙以及下端面形状都是东电水力试验室的能量台上通过试验确定的，能保证当动水关闭时，在筒体作用最小拉力。圆筒阀在全关位置时，由于上、下端的密封装置，使作用在筒体上的水压是向下的，具有自密封作用。圆筒阀采用直缸接力器操作，较之油马达操作，具有油压设备较小的优点。

2 瀑布沟水电站2号、4号、6号机组圆筒阀结构的总体介绍

瀑布沟水电站2号、4号、6号机组圆筒阀结构采用东方电机股份有限公司的设计和加工方案。基本参数如下：

瀑布沟水电站2号、4号、6号机组圆筒阀结构主要包括筒体、密封及导向部分；操作接力器部分；同步机构及圆筒阀行程指示装置部分；操作管路部分。见图1。

图1 筒形阀结构示意图

2.1 筒体、密封及导向部分

瀑布沟水电站2号、4号、6号机组圆筒阀筒体外圆Ф9 348 mm，高 1 630 mm，厚 180 mm，重量约为65.7 t，由ASTMA516 Gr70钢板制成。在上、下密封区，均堆焊有不锈钢层。在圆周12个导向区，均焊有12条不锈钢板。由于运输的要求，筒体分成两半，每个分半面用9只M56螺栓连接及3只Ф50的定位销定位。螺栓采用35CrM高强度钢并经过调质处理。筒体在厂内加工完后，用运输支架装配与筒体组装在一起，以减少筒体运输变形如分半面产生错牙，则采用筒体调整架，筒体在工地组圆时，用顶推的办法消除分半面处的变形。分半面的连接螺栓拧紧力矩为5 500 N.m后，进行分半面周围焊缝的焊接。由于焊后不进行热处理，故必须严格执行焊接工艺规范，以使焊接变形控制在图纸规定范围内。焊完分半面后，需将分半面两侧的共18个Ф150 mm通孔用圆板焊上，厚板在外侧，薄板在内侧。在座环固定导叶的内侧焊有铜质导向板，使安装后的导向板与筒体间的间隙符合设计要求。

筒体与提升杆采用埋入式螺栓连接。连接螺母置于阀体上开口的窗口内，窗口外侧用20 mm不锈钢板OCr18Ni9封堵，内侧敞开。与漫湾一期旋入式螺栓连接相比有如下优点：

（1）避免筒体内螺纹在安装或拆卸过程中的破坏现象发生。

（2）当提升杆连接螺栓折断或接力器发生事故时，可以实现在机坑内检修处理，而无需把筒体吊出机坑，避免造成进一步的损失。

瀑布沟水电站2号、4号、6号机组圆筒阀的下密封结构，采用压板橡皮条结构装于底环上；上密封采用带凸缘的橡皮板及压环结构装于顶盖上；所有的压板、压环及内六角螺钉均为不锈钢材质。上、下密封件的长度均有裕量，在装配时可按实际情况切割，然后加热硫化成整圈。圆筒阀工作时，下密封的压缩量为1.5～2 mm，上密封的压缩量为3～4 mm。上密封的安装必须在接力器及同步机构安装完毕之后，将筒体跳到一定开度时进行调整。

2.2 操作接力器部分（见图2）

图2 接力器详图

瀑布沟水电站2号、4号、6号机组圆筒阀采用6只内径为Ф400 mm的直缸接力器操作，接力器行程为1 525 mm，提升杆与筒体接触间增设了一个垫环，便于调整筒体与提升杆的垂直度和增大其接触面而降低挤压应力。接力器下缸盖与顶盖之间增设了一个垫环，此垫环便于在接力器与顶盖法兰面不垂直时修磨垫环。另外，根据筒体上连接孔实际位置，用专用工具找正垫环位置后，将垫环焊接在顶盖上。下缸盖与垫环用螺栓连接，下缸盖与提升杆的同心度用专门的顶丝微调。接力器活塞采用锻钢35A材质制作，活塞密封采用两道孔用方形圈密封，三道导向环，这种组合式密封的密封耐压高，不研缸，一点不漏油，效果好。提升杆采用高强度不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb制造，调质处理。提升杆外径为Ф180 mm，活塞与提升杆套管用M170的螺纹连接，提升杆与筒体用M110的螺纹连接，这种结构在于加工工艺性好，便于检修下缸盖和更换密封。为了将接力器的直线运动，转换成同步链轮的回转运动，以达到6个接力器的同步，本接力器中采用了滚动丝杆副，由螺帽的直线运动转换成丝杆的回转运动。丝杆被装于接力器缸盖上部的两个单向推力滚珠轴承所限位，径向位移由安装在上缸盖下端固定铜套导向定位，丝杆轴密封采用O型密封圈，丝杆只能作回转运动，一旦由于圆筒阀发卡，该接力器停止运动，而由相邻链轮的传动使该接力器丝杆继续回转，则丝杆将产生轴向移动，当超过碟簧的预载力时，碟簧被压缩，迫使行程开关动作，使配油的四通三位阀回到中间位置，使整个操作机构停止运动，进行事故的处理。

圆筒阀开启及关闭时间可改变接力器下腔出口处的节流片的孔径，进行调整。

2.3 同步机构及圆筒阀行程指示装置

图3 同步机构布置图

瀑布沟水电站2号、4号、6号机组圆筒阀的同步机构采用机械同步。为使6个操作接力器达到同步运动，以使圆筒阀阀体垂直上下运动时，不至于倾斜发卡，在6个接力器滚柱丝杆副顶端装有双层链轮，然后用6圈链条将6个链轮彼此串联起来。顺序为 1—2，2—3，3—4，4—5，5—6，6—1。这样就达到了回转链轮的同步。在每圈链条的中部都装有拉紧链轮装置，使链条保持在一定的张力，如遇圆筒阀在操作时发卡，链条的张紧力超过额定负载时，滑块压缩板簧组，使装在支架下的限位开关接点闭合，使四通三位阀回到中间位置，使整个操作机构停止运动，进行事故的处理。为防止出现链条脱落现象，采用双调式张紧轮装置。张紧轮的滑板分为两段，中间用螺栓、螺母连接，滑板中间的螺母可调整外圈链条的松紧程度，内侧螺杆、螺母可调整整个链条的松紧程度。

瀑布沟水电站2号、4号、6号机组圆筒阀的开关行程指示采用间接指示方式。即在其中一个接力器链轮上多一层链轮，以传动指示器的链轮，并带动T42×6的梯形丝杆旋转，带指针的螺帽装于丝杆上，由于指针卡于一个固定的小轴上，故丝杆转动时，指针及沿小轴上、下移动，在刻度板上反映出圆筒阀的开关位置，及动作过程中的相对开度的百分数。在圆筒阀的全开、全关位置，及90%开度位置装有限位开关，以反映电气信号，至于不同开度的电气信号是通过自动化元件两个位移变送器和802A-A14T2-S9行程开关（慢开启信号开关）及LX19K行程开关发出，整个装置在箱体中，箱体上装有有机玻璃板，以便观测刻度板上的刻度。

2.4 操作管路

瀑布沟水电站2号、4号、6号机组圆筒阀的操作油源为YZ-12.5-6.3油压设备，额定油压为6.3MPa。一台圆筒阀用一套油压设备。圆筒阀接力器的漏油接入集油装置，然后打回专门的油处理装置，经处理后，再抽回到回油箱中。东电提供所有的管路、阀门、法兰、密封及其他管件。施工按成都设计院的管路图施工，安装完毕按照图纸要求进行水压或油压试验。之后进行管路涂漆，涂漆颜色由电站统一考虑。

2.5 同步原理

瀑布沟东电机组采用接力器驱动链条同步，在筒阀圆周均匀布置多支液压接力器，每支接力器动杆（活塞）下端连接固定在阀体上，活塞上下运动可以驱动阀门启闭。各活塞的同步移动由可正反旋转丝杆副+同步链轮机构实现，当活塞上下移动时丝杆做正向或反向旋转，将筒阀的垂直运动变为旋转运动，丝杆副顶端齿轮带动链条一起连动其它接力器的齿轮同速旋转而实现多只接力器的同步。

3 筒阀的安装与调整

3.1 阀体组装

在阀体组装平台上跨筒体合缝对称布置好6个适当高度的钢支墩，并在每一支墩上配置一对斜楔，以便调整筒体水平。将两瓣筒体分别清理干净，吊放在斜楔上，割除运输支架，组装成整体。

筒体调整时，利用斜楔将其上平面水平调整在0.05 mm/m以内，然后用钢琴线的方法精调筒体圆柱度，在筒体上、下口外圆的不锈钢导向板处测量筒体半径，使各半径与平均半径之差符合厂家设计要求。

3.2 筒体合缝面焊接

焊接前首先复查筒体圆柱度，使其符合要求，再在每一合缝侧附近上下各装一块百分表，监视焊接过程中的角变形量，筒体焊接要求在两个合缝内外侧同时对称进行。焊接时采用小范围分段退步焊接工艺，焊接过程中，用锤击法消除应力。

3.3 操作机构组装

当筒体组焊完毕，圆柱度和水平调整合格以后，可将水轮机顶盖与筒体套装。套装时，在顶盖法兰距离筒体上端垂直面约10mm时，调整好顶盖方位，水平和中心，将顶盖从下部垫起，实测水平达到0.05mm/m。用6个M48把紧螺栓穿过顶盖法兰，旋入筒体上端面，将筒体均匀提起，把合在顶盖上。接力器安装质量的好坏直接影响筒形阀的工作性能。由于阀体圆度和垂直度误差较大，对其上端的水平度和接力器提升杆把合螺孔的垂直度都会产生不良影响。

3.4 青铜导向板的配刨

为防止动水关闭时筒形阀大幅度的振荡和倾斜，在12个固定导叶尾端设计了青铜导向板，对运动状态的筒体起导向和限位作用。将筒体、操作接力器和顶盖装配合格后，整体参加导水机构的预装，实测筒体外测不锈钢抗磨板与各固定导叶尾端径向间隙。挂钢琴线，实测各固定导叶尾部径向倾斜值。根据两项测量和设计规定间隙值，计算青铜导向板厚度配刨青铜导向板，并将配刨后的导向板对号入座，焊在固定导叶尾端。

安装完毕后，分段起落筒形阀，实测导向板和筒体间径向间隙，对因焊接、配刨和测量等误差引起的局部间隙超差外，特别是零间隙处的青铜导向板进行必要的打磨处理，以便筒体起落灵活、平稳。

3.5 同步机构的安装和调整

在同步机构安装和调整工作中，链条紧量的调整最为重要，同步链条调整后，必须达到各链条张力均匀，内外侧紧度一致和接力器碟簧无附加应力，否则会给筒形阀正常操作造成影响。同步链条的张力借助于张紧轮机构进行调整。在进行链条调整时，必须反复调整几次，进行操作和工作性能比较，根据经验确定第一根链条调整紧量。当第一根链条调整合适后，其他5根链条均以其张紧程度参考，进行反复对比调整。

每一接力器都有一个双层轮，在进行链条张力调整前，将第一个接力器下层同步链轮与丝杆副定位外，应使其余各同步链轮相对于丝杆副转动灵活，否则就会造成丝杆副转动，使同步链条内外侧张力不一致，碟簧预压力发生变化。

4 使用效果及问题

（1）瀑布沟水电站已投产的6号、4号水轮发电机组圆筒阀使用过程中，开停机均能随流程自动开启或关闭，未发生一次阀体卡阻和机械同步链条脱落、绷断等异常现象。

（2）停机时，圆筒阀关闭后减少导叶漏水效果明显，发挥良好的封水性能，对机组处于备用状态时减少水量损失极为有利。

（3）由于筒形阀在机组运行期间缩入顶盖和座环之间的空挡内，对水流流态基本不产生影响，水力损失比蝴蝶阀和球阀小，具有较高的使用效率。

（4）消缺性检修过流部件检查时，未发现圆筒阀阀体、活动导叶的断面等有明显的气蚀磨损状况，对延长导水机构的检修周期起到了一定的作用。

（5）由于6号、4号机组圆筒阀投产时，未做动水关闭试验，动水紧急关闭圆筒阀功能是否可靠无试验结果依据，为保证机组开停机可靠及运行安全，采取适当措施，退出其紧急动水落圆筒阀功能，暂无法完全发挥其距离活动导叶近、关闭速度快的特点，除正常停机时，机组过速或飞逸时还不能发挥应有的作用。

5 结束语

目前，圆筒阀—特别是巨型圆筒阀的设计、制造技术发展很快，已在国内多个水电站投入使用。瀑布沟水电站水轮机圆筒阀的尺寸、水头及制造难度均较大，通过对该圆筒阀的设计、制造、安装调试及使用效果、问题缺陷的研究总结，将有助于水力发电技术的发展和进步。

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1672-5387（2010）06-0049-04

2010-10-08

曹灿（1978-），男，工程师，从事水电站运行维护工作。