瀑布溝水電站水輪機圓筒閥結構

曹 燦，武 彬，陳勇旭

（國電大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 漢源 625304）

瀑布溝水電站水輪機圓筒閥結構

曹 燦，武 彬，陳勇旭

（國電大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 漢源 625304）

介紹了瀑布溝水電站2號、4號、6號水輪機圓筒閥結構，著重介紹了圓筒閥的設置依據、作用優點、結構特點、性能參數、接力器操作系統、同步裝置、操作管路及安裝調整、使用效果及存在問題等情況，對水輪機圓筒閥結構的應用經驗積累，具有一定的參考價值。

圓筒閥結構；設置依據；安裝調整；效果問題

0 概述

瀑布溝水電站是一座以發電為主，兼有防洪、攔沙等綜合效益的特大型水利水電樞紐工程。該電站裝設6臺混流式機組，單機容量600 MW，多年平均發電量147.9億kW·h。水庫總庫容53.9億m3，具有不完全年調節能力。瀑布溝水電站2號、4號、6號機組水輪機圓筒閥采用機械鏈條同步。該圓筒閥控制設備管路簡單、故障率低，經過一年左右的運行實踐，使用效果良好。

1 圓筒閥的設置依據

圓筒閥是水輪機的一種新型進水閘門，它裝設于固定導葉與活動導葉之間，具有結構緊湊、重量輕的優點。它采用6只直缸接力器操作，用鏈條機構實現同步。圓筒閥全關時密封性能良好，對多泥沙電站，用以停機時保護導水機構免遭間隙空化與泥沙磨損。圓筒閥全開時縮入頂蓋與座環形成的腔內，下端面與頂蓋平齊，不產生水頭損失。當機組產生飛逸時，可動水關閉圓筒閥，以保護機組免遭損耗。

1.1 瀑布溝水電站設置圓筒閥結構的主要原因

（1）瀑布溝水電站在電力系統中擔任調峰、調頻并擔負事故備用，機組啟、停較頻繁。

（2）由于水輪機運行水頭較高，汛期有一定的過機泥沙，機組在停機狀態，導水葉前后因承受電站水頭的差壓，在導水葉立面和上下端面間隙中不可避免地存在高速水流或含沙水流，導致導水機構產生間隙空蝕或磨蝕，使導葉立面、上下端面、軸頸、上下抗磨板甚至轉輪葉片進口邊的上下端部受到不同程度的破壞。

（3）特別是電站經過較長時間運行后，過機泥沙含量逐年增大，導水機構損壞將加劇，導水葉的漏水量將大大增加，這樣，不僅電能損失大，而且導水機構的損壞程度和導葉的漏水量大小將成為確定機組大修的決定性因素，并可能導致機組的大修周期縮短，增加電站年機組大修臺時數、人工和設備材料費用以及大修期間的電能損失。

（4）能有效防止機組飛逸，確保機組安全。

1.2 瀑布溝水電站設置圓筒閥結構的優點

（1）水輪機設置圓筒閥，可有效消除水輪機停機后導水機構間隙空蝕和磨損。

（2）水輪機設置圓筒閥，減輕導水機構的快速損壞和漏水，快速、有效防止機組飛逸和確保機組安全。

（3）水輪機設置圓筒閥，可靠退出飛逸，提高機組啟動的速動性、運行的靈活性和可靠性，減少導葉漏水電量損失，優點十分突出。

（4）圓筒閥閥體的上、下游間隙以及下端面形狀都是東電水力試驗室的能量臺上通過試驗確定的，能保證當動水關閉時，在筒體作用最小拉力。圓筒閥在全關位置時，由于上、下端的密封裝置，使作用在筒體上的水壓是向下的，具有自密封作用。圓筒閥采用直缸接力器操作，較之油馬達操作，具有油壓設備較小的優點。

2 瀑布溝水電站2號、4號、6號機組圓筒閥結構的總體介紹

瀑布溝水電站2號、4號、6號機組圓筒閥結構采用東方電機股份有限公司的設計和加工方案。基本參數如下：

瀑布溝水電站2號、4號、6號機組圓筒閥結構主要包括筒體、密封及導向部分；操作接力器部分；同步機構及圓筒閥行程指示裝置部分；操作管路部分。見圖1。

圖1 筒形閥結構示意圖

2.1 筒體、密封及導向部分

瀑布溝水電站2號、4號、6號機組圓筒閥筒體外圓Ф9 348 mm，高 1 630 mm，厚 180 mm，重量約為65.7 t，由ASTMA516 Gr70鋼板制成。在上、下密封區，均堆焊有不銹鋼層。在圓周12個導向區，均焊有12條不銹鋼板。由于運輸的要求，筒體分成兩半，每個分半面用9只M56螺栓連接及3只Ф50的定位銷定位。螺栓采用35CrM高強度鋼并經過調質處理。筒體在廠內加工完后，用運輸支架裝配與筒體組裝在一起，以減少筒體運輸變形如分半面產生錯牙，則采用筒體調整架，筒體在工地組圓時，用頂推的辦法消除分半面處的變形。分半面的連接螺栓擰緊力矩為5 500 N.m后，進行分半面周圍焊縫的焊接。由于焊后不進行熱處理，故必須嚴格執行焊接工藝規范，以使焊接變形控制在圖紙規定范圍內。焊完分半面后，需將分半面兩側的共18個Ф150 mm通孔用圓板焊上，厚板在外側，薄板在內側。在座環固定導葉的內側焊有銅質導向板，使安裝后的導向板與筒體間的間隙符合設計要求。

筒體與提升桿采用埋入式螺栓連接。連接螺母置于閥體上開口的窗口內，窗口外側用20 mm不銹鋼板OCr18Ni9封堵，內側敞開。與漫灣一期旋入式螺栓連接相比有如下優點：

（1）避免筒體內螺紋在安裝或拆卸過程中的破壞現象發生。

（2）當提升桿連接螺栓折斷或接力器發生事故時，可以實現在機坑內檢修處理，而無需把筒體吊出機坑，避免造成進一步的損失。

瀑布溝水電站2號、4號、6號機組圓筒閥的下密封結構，采用壓板橡皮條結構裝于底環上；上密封采用帶凸緣的橡皮板及壓環結構裝于頂蓋上；所有的壓板、壓環及內六角螺釘均為不銹鋼材質。上、下密封件的長度均有裕量，在裝配時可按實際情況切割，然后加熱硫化成整圈。圓筒閥工作時，下密封的壓縮量為1.5～2 mm，上密封的壓縮量為3～4 mm。上密封的安裝必須在接力器及同步機構安裝完畢之后，將筒體跳到一定開度時進行調整。

2.2 操作接力器部分（見圖2）

圖2 接力器詳圖

瀑布溝水電站2號、4號、6號機組圓筒閥采用6只內徑為Ф400 mm的直缸接力器操作，接力器行程為1 525 mm，提升桿與筒體接觸間增設了一個墊環，便于調整筒體與提升桿的垂直度和增大其接觸面而降低擠壓應力。接力器下缸蓋與頂蓋之間增設了一個墊環，此墊環便于在接力器與頂蓋法蘭面不垂直時修磨墊環。另外，根據筒體上連接孔實際位置，用專用工具找正墊環位置后，將墊環焊接在頂蓋上。下缸蓋與墊環用螺栓連接，下缸蓋與提升桿的同心度用專門的頂絲微調。接力器活塞采用鍛鋼35A材質制作，活塞密封采用兩道孔用方形圈密封，三道導向環，這種組合式密封的密封耐壓高，不研缸，一點不漏油，效果好。提升桿采用高強度不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb制造，調質處理。提升桿外徑為Ф180 mm，活塞與提升桿套管用M170的螺紋連接，提升桿與筒體用M110的螺紋連接，這種結構在于加工工藝性好，便于檢修下缸蓋和更換密封。為了將接力器的直線運動，轉換成同步鏈輪的回轉運動，以達到6個接力器的同步，本接力器中采用了滾動絲桿副，由螺帽的直線運動轉換成絲桿的回轉運動。絲桿被裝于接力器缸蓋上部的兩個單向推力滾珠軸承所限位，徑向位移由安裝在上缸蓋下端固定銅套導向定位，絲桿軸密封采用O型密封圈，絲桿只能作回轉運動，一旦由于圓筒閥發卡，該接力器停止運動，而由相鄰鏈輪的傳動使該接力器絲桿繼續回轉，則絲桿將產生軸向移動，當超過碟簧的預載力時，碟簧被壓縮，迫使行程開關動作，使配油的四通三位閥回到中間位置，使整個操作機構停止運動，進行事故的處理。

圓筒閥開啟及關閉時間可改變接力器下腔出口處的節流片的孔徑，進行調整。

2.3 同步機構及圓筒閥行程指示裝置

圖3 同步機構布置圖

瀑布溝水電站2號、4號、6號機組圓筒閥的同步機構采用機械同步。為使6個操作接力器達到同步運動，以使圓筒閥閥體垂直上下運動時，不至于傾斜發卡，在6個接力器滾柱絲桿副頂端裝有雙層鏈輪，然后用6圈鏈條將6個鏈輪彼此串聯起來。順序為 1—2，2—3，3—4，4—5，5—6，6—1。這樣就達到了回轉鏈輪的同步。在每圈鏈條的中部都裝有拉緊鏈輪裝置，使鏈條保持在一定的張力，如遇圓筒閥在操作時發卡，鏈條的張緊力超過額定負載時，滑塊壓縮板簧組，使裝在支架下的限位開關接點閉合，使四通三位閥回到中間位置，使整個操作機構停止運動，進行事故的處理。為防止出現鏈條脫落現象，采用雙調式張緊輪裝置。張緊輪的滑板分為兩段，中間用螺栓、螺母連接，滑板中間的螺母可調整外圈鏈條的松緊程度，內側螺桿、螺母可調整整個鏈條的松緊程度。

瀑布溝水電站2號、4號、6號機組圓筒閥的開關行程指示采用間接指示方式。即在其中一個接力器鏈輪上多一層鏈輪，以傳動指示器的鏈輪，并帶動T42×6的梯形絲桿旋轉，帶指針的螺帽裝于絲桿上，由于指針卡于一個固定的小軸上，故絲桿轉動時，指針及沿小軸上、下移動，在刻度板上反映出圓筒閥的開關位置，及動作過程中的相對開度的百分數。在圓筒閥的全開、全關位置，及90%開度位置裝有限位開關，以反映電氣信號，至于不同開度的電氣信號是通過自動化元件兩個位移變送器和802A-A14T2-S9行程開關（慢開啟信號開關）及LX19K行程開關發出，整個裝置在箱體中，箱體上裝有有機玻璃板，以便觀測刻度板上的刻度。

2.4 操作管路

瀑布溝水電站2號、4號、6號機組圓筒閥的操作油源為YZ-12.5-6.3油壓設備，額定油壓為6.3MPa。一臺圓筒閥用一套油壓設備。圓筒閥接力器的漏油接入集油裝置，然后打回專門的油處理裝置，經處理后，再抽回到回油箱中。東電提供所有的管路、閥門、法蘭、密封及其他管件。施工按成都設計院的管路圖施工，安裝完畢按照圖紙要求進行水壓或油壓試驗。之后進行管路涂漆，涂漆顏色由電站統一考慮。

2.5 同步原理

瀑布溝東電機組采用接力器驅動鏈條同步，在筒閥圓周均勻布置多支液壓接力器，每支接力器動桿（活塞）下端連接固定在閥體上，活塞上下運動可以驅動閥門啟閉。各活塞的同步移動由可正反旋轉絲桿副+同步鏈輪機構實現，當活塞上下移動時絲桿做正向或反向旋轉，將筒閥的垂直運動變為旋轉運動，絲桿副頂端齒輪帶動鏈條一起連動其它接力器的齒輪同速旋轉而實現多只接力器的同步。

3 筒閥的安裝與調整

3.1 閥體組裝

在閥體組裝平臺上跨筒體合縫對稱布置好6個適當高度的鋼支墩，并在每一支墩上配置一對斜楔，以便調整筒體水平。將兩瓣筒體分別清理干凈，吊放在斜楔上，割除運輸支架，組裝成整體。

筒體調整時，利用斜楔將其上平面水平調整在0.05 mm/m以內，然后用鋼琴線的方法精調筒體圓柱度，在筒體上、下口外圓的不銹鋼導向板處測量筒體半徑，使各半徑與平均半徑之差符合廠家設計要求。

3.2 筒體合縫面焊接

焊接前首先復查筒體圓柱度，使其符合要求，再在每一合縫側附近上下各裝一塊百分表，監視焊接過程中的角變形量，筒體焊接要求在兩個合縫內外側同時對稱進行。焊接時采用小范圍分段退步焊接工藝，焊接過程中，用錘擊法消除應力。

3.3 操作機構組裝

當筒體組焊完畢，圓柱度和水平調整合格以后，可將水輪機頂蓋與筒體套裝。套裝時，在頂蓋法蘭距離筒體上端垂直面約10mm時，調整好頂蓋方位，水平和中心，將頂蓋從下部墊起，實測水平達到0.05mm/m。用6個M48把緊螺栓穿過頂蓋法蘭，旋入筒體上端面，將筒體均勻提起，把合在頂蓋上。接力器安裝質量的好壞直接影響筒形閥的工作性能。由于閥體圓度和垂直度誤差較大，對其上端的水平度和接力器提升桿把合螺孔的垂直度都會產生不良影響。

3.4 青銅導向板的配刨

為防止動水關閉時筒形閥大幅度的振蕩和傾斜，在12個固定導葉尾端設計了青銅導向板，對運動狀態的筒體起導向和限位作用。將筒體、操作接力器和頂蓋裝配合格后，整體參加導水機構的預裝，實測筒體外測不銹鋼抗磨板與各固定導葉尾端徑向間隙。掛鋼琴線，實測各固定導葉尾部徑向傾斜值。根據兩項測量和設計規定間隙值，計算青銅導向板厚度配刨青銅導向板，并將配刨后的導向板對號入座，焊在固定導葉尾端。

安裝完畢后，分段起落筒形閥，實測導向板和筒體間徑向間隙，對因焊接、配刨和測量等誤差引起的局部間隙超差外，特別是零間隙處的青銅導向板進行必要的打磨處理，以便筒體起落靈活、平穩。

3.5 同步機構的安裝和調整

在同步機構安裝和調整工作中，鏈條緊量的調整最為重要，同步鏈條調整后，必須達到各鏈條張力均勻，內外側緊度一致和接力器碟簧無附加應力，否則會給筒形閥正常操作造成影響。同步鏈條的張力借助于張緊輪機構進行調整。在進行鏈條調整時，必須反復調整幾次，進行操作和工作性能比較，根據經驗確定第一根鏈條調整緊量。當第一根鏈條調整合適后，其他5根鏈條均以其張緊程度參考，進行反復對比調整。

每一接力器都有一個雙層輪，在進行鏈條張力調整前，將第一個接力器下層同步鏈輪與絲桿副定位外，應使其余各同步鏈輪相對于絲桿副轉動靈活，否則就會造成絲桿副轉動，使同步鏈條內外側張力不一致，碟簧預壓力發生變化。

4 使用效果及問題

（1）瀑布溝水電站已投產的6號、4號水輪發電機組圓筒閥使用過程中，開停機均能隨流程自動開啟或關閉，未發生一次閥體卡阻和機械同步鏈條脫落、繃斷等異常現象。

（2）停機時，圓筒閥關閉后減少導葉漏水效果明顯，發揮良好的封水性能，對機組處于備用狀態時減少水量損失極為有利。

（3）由于筒形閥在機組運行期間縮入頂蓋和座環之間的空擋內，對水流流態基本不產生影響，水力損失比蝴蝶閥和球閥小，具有較高的使用效率。

（4）消缺性檢修過流部件檢查時，未發現圓筒閥閥體、活動導葉的斷面等有明顯的氣蝕磨損狀況，對延長導水機構的檢修周期起到了一定的作用。

（5）由于6號、4號機組圓筒閥投產時，未做動水關閉試驗，動水緊急關閉圓筒閥功能是否可靠無試驗結果依據，為保證機組開停機可靠及運行安全，采取適當措施，退出其緊急動水落圓筒閥功能，暫無法完全發揮其距離活動導葉近、關閉速度快的特點，除正常停機時，機組過速或飛逸時還不能發揮應有的作用。

5 結束語

目前，圓筒閥—特別是巨型圓筒閥的設計、制造技術發展很快，已在國內多個水電站投入使用。瀑布溝水電站水輪機圓筒閥的尺寸、水頭及制造難度均較大，通過對該圓筒閥的設計、制造、安裝調試及使用效果、問題缺陷的研究總結，將有助于水力發電技術的發展和進步。

TV732.7

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1672-5387（2010）06-0049-04

2010-10-08

曹燦（1978-），男，工程師，從事水電站運行維護工作。