曹 燦，武 彬，陳勇旭

（國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 漢源 625304）

瀑布溝水電站水輪機(jī)圓筒閥結(jié)構(gòu)

曹 燦，武 彬，陳勇旭

（國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 漢源 625304）

介紹了瀑布溝水電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)水輪機(jī)圓筒閥結(jié)構(gòu)，著重介紹了圓筒閥的設(shè)置依據(jù)、作用優(yōu)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能參數(shù)、接力器操作系統(tǒng)、同步裝置、操作管路及安裝調(diào)整、使用效果及存在問題等情況，對(duì)水輪機(jī)圓筒閥結(jié)構(gòu)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累，具有一定的參考價(jià)值。

圓筒閥結(jié)構(gòu)；設(shè)置依據(jù)；安裝調(diào)整；效果問題

0 概述

瀑布溝水電站是一座以發(fā)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(shè)6臺(tái)混流式機(jī)組，單機(jī)容量600 MW，多年平均發(fā)電量147.9億kW·h。水庫總庫容53.9億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)能力。瀑布溝水電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組水輪機(jī)圓筒閥采用機(jī)械鏈條同步。該圓筒閥控制設(shè)備管路簡單、故障率低，經(jīng)過一年左右的運(yùn)行實(shí)踐，使用效果良好。

1 圓筒閥的設(shè)置依據(jù)

圓筒閥是水輪機(jī)的一種新型進(jìn)水閘門，它裝設(shè)于固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉之間，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。它采用6只直缸接力器操作，用鏈條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同步。圓筒閥全關(guān)時(shí)密封性能良好，對(duì)多泥沙電站，用以停機(jī)時(shí)保護(hù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)免遭間隙空化與泥沙磨損。圓筒閥全開時(shí)縮入頂蓋與座環(huán)形成的腔內(nèi)，下端面與頂蓋平齊，不產(chǎn)生水頭損失。當(dāng)機(jī)組產(chǎn)生飛逸時(shí)，可動(dòng)水關(guān)閉圓筒閥，以保護(hù)機(jī)組免遭損耗。

1.1 瀑布溝水電站設(shè)置圓筒閥結(jié)構(gòu)的主要原因

（1）瀑布溝水電站在電力系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻并擔(dān)負(fù)事故備用，機(jī)組啟、停較頻繁。

（2）由于水輪機(jī)運(yùn)行水頭較高，汛期有一定的過機(jī)泥沙，機(jī)組在停機(jī)狀態(tài)，導(dǎo)水葉前后因承受電站水頭的差壓，在導(dǎo)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(dǎo)致導(dǎo)水機(jī)構(gòu)產(chǎn)生間隙空蝕或磨蝕，使導(dǎo)葉立面、上下端面、軸頸、上下抗磨板甚至轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊的上下端部受到不同程度的破壞。

（3）特別是電站經(jīng)過較長時(shí)間運(yùn)行后，過機(jī)泥沙含量逐年增大，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)損壞將加劇，導(dǎo)水葉的漏水量將大大增加，這樣，不僅電能損失大，而且導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的損壞程度和導(dǎo)葉的漏水量大小將成為確定機(jī)組大修的決定性因素，并可能導(dǎo)致機(jī)組的大修周期縮短，增加電站年機(jī)組大修臺(tái)時(shí)數(shù)、人工和設(shè)備材料費(fèi)用以及大修期間的電能損失。

（4）能有效防止機(jī)組飛逸，確保機(jī)組安全。

1.2 瀑布溝水電站設(shè)置圓筒閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

（1）水輪機(jī)設(shè)置圓筒閥，可有效消除水輪機(jī)停機(jī)后導(dǎo)水機(jī)構(gòu)間隙空蝕和磨損。

（2）水輪機(jī)設(shè)置圓筒閥，減輕導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的快速損壞和漏水，快速、有效防止機(jī)組飛逸和確保機(jī)組安全。

（3）水輪機(jī)設(shè)置圓筒閥，可靠退出飛逸，提高機(jī)組啟動(dòng)的速動(dòng)性、運(yùn)行的靈活性和可靠性，減少導(dǎo)葉漏水電量損失，優(yōu)點(diǎn)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(yàn)室的能量臺(tái)上通過試驗(yàn)確定的，能保證當(dāng)動(dòng)水關(guān)閉時(shí)，在筒體作用最小拉力。圓筒閥在全關(guān)位置時(shí)，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(dá)操作，具有油壓設(shè)備較小的優(yōu)點(diǎn)。

2 瀑布溝水電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組圓筒閥結(jié)構(gòu)的總體介紹

瀑布溝水電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組圓筒閥結(jié)構(gòu)采用東方電機(jī)股份有限公司的設(shè)計(jì)和加工方案?；緟?shù)如下：

瀑布溝水電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組圓筒閥結(jié)構(gòu)主要包括筒體、密封及導(dǎo)向部分；操作接力器部分；同步機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

2.1 筒體、密封及導(dǎo)向部分

瀑布溝水電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)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(qū)，均堆焊有不銹鋼層。在圓周12個(gè)導(dǎo)向區(qū)，均焊有12條不銹鋼板。由于運(yùn)輸?shù)囊?，筒體分成兩半，每個(gè)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(qiáng)度鋼并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。筒體在廠內(nèi)加工完后，用運(yùn)輸支架裝配與筒體組裝在一起，以減少筒體運(yùn)輸變形如分半面產(chǎn)生錯(cuò)牙，則采用筒體調(diào)整架，筒體在工地組圓時(shí)，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(jìn)行分半面周圍焊縫的焊接。由于焊后不進(jìn)行熱處理，故必須嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)范，以使焊接變形控制在圖紙規(guī)定范圍內(nèi)。焊完分半面后，需將分半面兩側(cè)的共18個(gè)Ф150 mm通孔用圓板焊上，厚板在外側(cè)，薄板在內(nèi)側(cè)。在座環(huán)固定導(dǎo)葉的內(nèi)側(cè)焊有銅質(zhì)導(dǎo)向板，使安裝后的導(dǎo)向板與筒體間的間隙符合設(shè)計(jì)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(nèi)，窗口外側(cè)用20 mm不銹鋼板OCr18Ni9封堵，內(nèi)側(cè)敞開。與漫灣一期旋入式螺栓連接相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）避免筒體內(nèi)螺紋在安裝或拆卸過程中的破壞現(xiàn)象發(fā)生。

（2）當(dāng)提升桿連接螺栓折斷或接力器發(fā)生事故時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)在機(jī)坑內(nèi)檢修處理，而無需把筒體吊出機(jī)坑，避免造成進(jìn)一步的損失。

瀑布溝水電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組圓筒閥的下密封結(jié)構(gòu)，采用壓板橡皮條結(jié)構(gòu)裝于底環(huán)上；上密封采用帶凸緣的橡皮板及壓環(huán)結(jié)構(gòu)裝于頂蓋上；所有的壓板、壓環(huán)及內(nèi)六角螺釘均為不銹鋼材質(zhì)。上、下密封件的長度均有裕量，在裝配時(shí)可按實(shí)際情況切割，然后加熱硫化成整圈。圓筒閥工作時(shí)，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(jī)構(gòu)安裝完畢之后，將筒體跳到一定開度時(shí)進(jìn)行調(diào)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(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組圓筒閥采用6只內(nèi)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(shè)了一個(gè)墊環(huán)，便于調(diào)整筒體與提升桿的垂直度和增大其接觸面而降低擠壓應(yīng)力。接力器下缸蓋與頂蓋之間增設(shè)了一個(gè)墊環(huán)，此墊環(huán)便于在接力器與頂蓋法蘭面不垂直時(shí)修磨墊環(huán)。另外，根據(jù)筒體上連接孔實(shí)際位置，用專用工具找正墊環(huán)位置后，將墊環(huán)焊接在頂蓋上。下缸蓋與墊環(huán)用螺栓連接，下缸蓋與提升桿的同心度用專門的頂絲微調(diào)。接力器活塞采用鍛鋼35A材質(zhì)制作，活塞密封采用兩道孔用方形圈密封，三道導(dǎo)向環(huán)，這種組合式密封的密封耐壓高，不研缸，一點(diǎn)不漏油，效果好。提升桿采用高強(qiáng)度不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb制造，調(diào)質(zhì)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(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換成同步鏈輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到6個(gè)接力器的同步，本接力器中采用了滾動(dòng)絲桿副，由螺帽的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成絲桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。絲桿被裝于接力器缸蓋上部的兩個(gè)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(dǎo)向定位，絲桿軸密封采用O型密封圈，絲桿只能作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一旦由于圓筒閥發(fā)卡，該接力器停止運(yùn)動(dòng)，而由相鄰鏈輪的傳動(dòng)使該接力器絲桿繼續(xù)回轉(zhuǎn)，則絲桿將產(chǎn)生軸向移動(dòng)，當(dāng)超過碟簧的預(yù)載力時(shí)，碟簧被壓縮，迫使行程開關(guān)動(dòng)作，使配油的四通三位閥回到中間位置，使整個(gè)操作機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行事故的處理。

圓筒閥開啟及關(guān)閉時(shí)間可改變接力器下腔出口處的節(jié)流片的孔徑，進(jìn)行調(diào)整。

2.3 同步機(jī)構(gòu)及圓筒閥行程指示裝置

圖3 同步機(jī)構(gòu)布置圖

瀑布溝水電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組圓筒閥的同步機(jī)構(gòu)采用機(jī)械同步。為使6個(gè)操作接力器達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)，以使圓筒閥閥體垂直上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，不至于傾斜發(fā)卡，在6個(gè)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(gè)鏈輪彼此串聯(lián)起來。順序?yàn)?1—2，2—3，3—4，4—5，5—6，6—1。這樣就達(dá)到了回轉(zhuǎn)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(shí)發(fā)卡，鏈條的張緊力超過額定負(fù)載時(shí)，滑塊壓縮板簧組，使裝在支架下的限位開關(guān)接點(diǎn)閉合，使四通三位閥回到中間位置，使整個(gè)操作機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行事故的處理。為防止出現(xiàn)鏈條脫落現(xiàn)象，采用雙調(diào)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(diào)整外圈鏈條的松緊程度，內(nèi)側(cè)螺桿、螺母可調(diào)整整個(gè)鏈條的松緊程度。

瀑布溝水電站2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組圓筒閥的開關(guān)行程指示采用間接指示方式。即在其中一個(gè)接力器鏈輪上多一層鏈輪，以傳動(dòng)指示器的鏈輪，并帶動(dòng)T42×6的梯形絲桿旋轉(zhuǎn)，帶指針的螺帽裝于絲桿上，由于指針卡于一個(gè)固定的小軸上，故絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，指針及沿小軸上、下移動(dòng)，在刻度板上反映出圓筒閥的開關(guān)位置，及動(dòng)作過程中的相對(duì)開度的百分?jǐn)?shù)。在圓筒閥的全開、全關(guān)位置，及90%開度位置裝有限位開關(guān)，以反映電氣信號(hào)，至于不同開度的電氣信號(hào)是通過自動(dòng)化元件兩個(gè)位移變送器和802A-A14T2-S9行程開關(guān)（慢開啟信號(hào)開關(guān)）及LX19K行程開關(guān)發(fā)出，整個(gè)裝置在箱體中，箱體上裝有有機(jī)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(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組圓筒閥的操作油源為YZ-12.5-6.3油壓設(shè)備，額定油壓為6.3MPa。一臺(tái)圓筒閥用一套油壓設(shè)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(jīng)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(shè)計(jì)院的管路圖施工，安裝完畢按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行水壓或油壓試驗(yàn)。之后進(jìn)行管路涂漆，涂漆顏色由電站統(tǒng)一考慮。

2.5 同步原理

瀑布溝東電機(jī)組采用接力器驅(qū)動(dòng)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(dòng)桿（活塞）下端連接固定在閥體上，活塞上下運(yùn)動(dòng)可以驅(qū)動(dòng)閥門啟閉。各活塞的同步移動(dòng)由可正反旋轉(zhuǎn)絲桿副+同步鏈輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)活塞上下移動(dòng)時(shí)絲桿做正向或反向旋轉(zhuǎn)，將筒閥的垂直運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲桿副頂端齒輪帶動(dòng)鏈條一起連動(dòng)其它接力器的齒輪同速旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)多只接力器的同步。

3 筒閥的安裝與調(diào)整

3.1 閥體組裝

在閥體組裝平臺(tái)上跨筒體合縫對(duì)稱布置好6個(gè)適當(dāng)高度的鋼支墩，并在每一支墩上配置一對(duì)斜楔，以便調(diào)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(yùn)輸支架，組裝成整體。

筒體調(diào)整時(shí)，利用斜楔將其上平面水平調(diào)整在0.05 mm/m以內(nèi)，然后用鋼琴線的方法精調(diào)筒體圓柱度，在筒體上、下口外圓的不銹鋼導(dǎo)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(shè)計(jì)要求。

3.2 筒體合縫面焊接

焊接前首先復(fù)查筒體圓柱度，使其符合要求，再在每一合縫側(cè)附近上下各裝一塊百分表，監(jiān)視焊接過程中的角變形量，筒體焊接要求在兩個(gè)合縫內(nèi)外側(cè)同時(shí)對(duì)稱進(jìn)行。焊接時(shí)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(yīng)力。

3.3 操作機(jī)構(gòu)組裝

當(dāng)筒體組焊完畢，圓柱度和水平調(diào)整合格以后，可將水輪機(jī)頂蓋與筒體套裝。套裝時(shí)，在頂蓋法蘭距離筒體上端垂直面約10mm時(shí)，調(diào)整好頂蓋方位，水平和中心，將頂蓋從下部墊起，實(shí)測水平達(dá)到0.05mm/m。用6個(gè)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(zhì)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(duì)其上端的水平度和接力器提升桿把合螺孔的垂直度都會(huì)產(chǎn)生不良影響。

3.4 青銅導(dǎo)向板的配刨

為防止動(dòng)水關(guān)閉時(shí)筒形閥大幅度的振蕩和傾斜，在12個(gè)固定導(dǎo)葉尾端設(shè)計(jì)了青銅導(dǎo)向板，對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的筒體起導(dǎo)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(dǎo)水機(jī)構(gòu)的預(yù)裝，實(shí)測筒體外測不銹鋼抗磨板與各固定導(dǎo)葉尾端徑向間隙。掛鋼琴線，實(shí)測各固定導(dǎo)葉尾部徑向傾斜值。根據(jù)兩項(xiàng)測量和設(shè)計(jì)規(guī)定間隙值，計(jì)算青銅導(dǎo)向板厚度配刨青銅導(dǎo)向板，并將配刨后的導(dǎo)向板對(duì)號(hào)入座，焊在固定導(dǎo)葉尾端。

安裝完畢后，分段起落筒形閥，實(shí)測導(dǎo)向板和筒體間徑向間隙，對(duì)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(dǎo)向板進(jìn)行必要的打磨處理，以便筒體起落靈活、平穩(wěn)。

3.5 同步機(jī)構(gòu)的安裝和調(diào)整

在同步機(jī)構(gòu)安裝和調(diào)整工作中，鏈條緊量的調(diào)整最為重要，同步鏈條調(diào)整后，必須達(dá)到各鏈條張力均勻，內(nèi)外側(cè)緊度一致和接力器碟簧無附加應(yīng)力，否則會(huì)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(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。在進(jìn)行鏈條調(diào)整時(shí)，必須反復(fù)調(diào)整幾次，進(jìn)行操作和工作性能比較，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定第一根鏈條調(diào)整緊量。當(dāng)?shù)谝桓湕l調(diào)整合適后，其他5根鏈條均以其張緊程度參考，進(jìn)行反復(fù)對(duì)比調(diào)整。

每一接力器都有一個(gè)雙層輪，在進(jìn)行鏈條張力調(diào)整前，將第一個(gè)接力器下層同步鏈輪與絲桿副定位外，應(yīng)使其余各同步鏈輪相對(duì)于絲桿副轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，否則就會(huì)造成絲桿副轉(zhuǎn)動(dòng)，使同步鏈條內(nèi)外側(cè)張力不一致，碟簧預(yù)壓力發(fā)生變化。

4 使用效果及問題

（1）瀑布溝水電站已投產(chǎn)的6號(hào)、4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組圓筒閥使用過程中，開停機(jī)均能隨流程自動(dòng)開啟或關(guān)閉，未發(fā)生一次閥體卡阻和機(jī)械同步鏈條脫落、繃斷等異常現(xiàn)象。

（2）停機(jī)時(shí)，圓筒閥關(guān)閉后減少導(dǎo)葉漏水效果明顯，發(fā)揮良好的封水性能，對(duì)機(jī)組處于備用狀態(tài)時(shí)減少水量損失極為有利。

（3）由于筒形閥在機(jī)組運(yùn)行期間縮入頂蓋和座環(huán)之間的空擋內(nèi)，對(duì)水流流態(tài)基本不產(chǎn)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(shí)，未發(fā)現(xiàn)圓筒閥閥體、活動(dòng)導(dǎo)葉的斷面等有明顯的氣蝕磨損狀況，對(duì)延長導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的檢修周期起到了一定的作用。

（5）由于6號(hào)、4號(hào)機(jī)組圓筒閥投產(chǎn)時(shí)，未做動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)，動(dòng)水緊急關(guān)閉圓筒閥功能是否可靠無試驗(yàn)結(jié)果依據(jù)，為保證機(jī)組開停機(jī)可靠及運(yùn)行安全，采取適當(dāng)措施，退出其緊急動(dòng)水落圓筒閥功能，暫無法完全發(fā)揮其距離活動(dòng)導(dǎo)葉近、關(guān)閉速度快的特點(diǎn)，除正常停機(jī)時(shí)，機(jī)組過速或飛逸時(shí)還不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

5 結(jié)束語

目前，圓筒閥—特別是巨型圓筒閥的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)發(fā)展很快，已在國內(nèi)多個(gè)水電站投入使用。瀑布溝水電站水輪機(jī)圓筒閥的尺寸、水頭及制造難度均較大，通過對(duì)該圓筒閥的設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試及使用效果、問題缺陷的研究總結(jié)，將有助于水力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

TV732.7

B

1672-5387（2010）06-0049-04

2010-10-08

曹燦（1978-），男，工程師，從事水電站運(yùn)行維護(hù)工作。