1、白山電站蝴蝶閥的結構分析摘 要 本文結合吉林白山電站蝴蝶閥的實際設計、試驗、制造、運行情況，對電站大型蝶閥的結構進行了分析,及在水電站上的應用。關鍵詞 大型水輪機蝶閥；結構；性能Structure analysis of large turbine butterfly valve for Ji Lin Bai ShanAbstract: Structure analysis of the large turbine butterfly valve for Ji Lin Bai Shang power station actually design, test, manufacture, run

2、, and the application on the hydro power station.Key words: Large turbine butterfly valve; structure; capability1 前言在水電站的布置方案中,根據水輪機運行的需要,除引水鋼管進口裝設檢修闡門(或快速闡門)外,在水輪機蝸殼進口處還裝設蝴蝶閥或球形閥。其功用是：進水管道或機組檢修時關閉閥門以切斷水流而不影響其它機組運行,機組長期停機時,關閉閥門以減少水流漏損,保護導水機構、轉輪及其它流道，避免間隙空化和泥沙磨損 , 機組發生事故而導水機構失靈不能關閉時，緊急關閉閥門以防止事故擴大。蝴蝶閥

3、的優點是較其它形式的閥門外形尺寸小，重量輕，結構簡單，操作方便，成本約為同直徑球形閥的1/2。所以蝴蝶閥廣泛的應用于水頭低于250米的水電站上。目前世界上已制成的蝴蝶閥最大直徑達8.23米,已制成的蝴蝶閥中最高水頭達300米。一般情況下，蝴蝶閥的最高使用水頭不宜超過250米，更高水頭時，應和球閥作選型比較。蝴蝶閥的形式根據活門的結構可分為菱形、鐵餅形、平斜形、雙平板形，通流式雙平板蝶閥起源于60代初，由于具有水力性能好、設計制造成本低、工作安全可靠等優點而逐漸取代其它型式的蝶閥，在大中型蝶閥中占據著主導地位，并在水電站得到了廣泛應用。2白山蝶閥的結構與分析2.1 基本參數公稱直徑： 4200

4、mm最大靜壓： 1.52 Mpa最大升壓： 1.8 Mpa開啟時間： 30-90 s關閉時間： 30-90 s接力器直徑: 2-500 mm接力器操作油壓： 6.3 Mpa全開時阻力系數： 0.080.122.2 蝶閥的總體結構圖2圖1蝴蝶閥為臥軸、通流式、雙平板、偏心結構（見圖1、圖2），主密封采用整圈實心高硬耐油橡膠密封,密封緊量可根據需要進行調整。蝶閥的正常開啟與關閉由直缸搖擺接力器操作，當導水機構失靈且蝶閥接力器失去油壓時，可以通過重錘進行動水關閉。每臺蝴蝶閥配有一套油壓裝置及操作柜，接力器及操作系統位于下游側，上游側設上游連接管與壓力鋼管焊接聯接，伸縮節放置于進水閥的下游側，伸縮節可

5、移動法蘭與水輪機蝸殼延伸段法蘭采用螺栓聯接。蝶閥本體主要部件包括閥體、活門、主密封、接力器、鎖定裝置、旁通管路和空氣閥。221 閥體蝶閥采用的是鑄焊結構閥體(見圖3)，其中軸座為ZG20SiMn，與主密封圈配合的閥體密封座采用堆焊不銹鋼，其余部分為16MR鋼板。圖6圖3閥體是承受水壓的部件，加工后在廠內需作水壓試驗，試驗壓力為升壓水頭的1.5倍，時間30min。為了保證足夠的閥體剛度、減少漏水、節約材料，閥體橫斷面為箱形結構。閥體的應力在打壓試驗、漏水試驗、動水關閉三個工況中，以動水關閉工況的應力為最大，其中最大的應力點位于閥座的軸孔上，且最大應力點的應力為局部應力。在進行漏水試驗時，閥體下游

6、側法蘭產生徑向變形呈橢圓狀(見圖4)，這就要求活門的密封圍帶要適應這一變形規律，以便相應做調整。閥體過流表面為拱型結構，用鋼板平滑過度，不但減小了通流面積的變化，而且降低了蝶閥的流阻系數和振動、噪聲。閥體的水力損失約占整個蝶閥水力損失的2/3，而活門的水力損失只占整個蝶閥水力損失的1/3。閥體的水力損失大的主要原因是蝶閥密封處有一個較大的直徑收縮，這個較大的直徑收縮產生了較大的水力損失，此結構是降低蝶閥水力損失的有效方法。圖4圖5蝶閥在受到水推力作用，會有移動的趨勢。如果地腳螺栓牢牢把住閥體或閥體地腳孔過小，不但地腳螺栓將承受巨大的剪應力，而且在傾覆力矩的作用下，閥體和閥體聯接螺栓都要承受很大

7、的負荷。所以將閥體地腳孔設計為腰形孔，在閥體地腳孔內設一套筒，其套筒法蘭底面與閥體地腳板之間有一微小間隙，允許蝶閥在支承板上自由滑動，使地腳螺栓不承受剪力，此結構大大改善了地腳螺栓和閥體的受力情況，見圖5。2.2活門活門采用雙平板(通流式)型鑄焊結構，兩端與閥軸連接的軸頭用ZG20SiMn鋼鑄造，其余用Q235鋼板拼焊。活門的結構型式不僅對水流性能有直接影響，而且與活門的剛強度性能密切相關，活門要有適當的強度和剛度，經過剛強度計算分析，活門采用四塊梯形肋板，見圖6。經過多次模型試驗和結構優化，在肋板與蓋板的迎水面與出水面上采用翼形設計，使活門獲得良好的流態，避免卡門渦振動，降低了活門全開時流阻

8、系數，有效提高了水力資源的利用率。為了充分利用水力矩減小重錘重量實現蝶閥動水自關閉和提高主密封的效果，活門采用偏心設計。在設計蝶閥時，應通過蝶閥剛強度計算、動靜水操作計算、接力器容量和重錘的綜合選擇偏心量，不能太大。否則將導致蝶閥尺寸增加。2.3主密封與活門密封圈配合的閥體密封座，采用堆焊不銹鋼結構，為了延長密封座的使用壽命，密封座采用不銹鋼材料，密封表面粗糙度不大于0.8。轉動靈活，封水可靠。活門密封（見圖7）采用整圈的實心高硬耐油橡膠I-3，硬度高達75邵爾，用不銹鋼壓板將橡膠密封圈壓在活門上，活門置于全開位置時，不拆卸閥體可檢修或 更換密封圈。 當活門在全關位置時，受水壓力和活門變形的作

9、用橡膠密封有最大緊量，當活門下游沖水后，壓緊量逐步減小。密封壓緊量可以通過不銹鋼壓板進行微調，壓緊量在0.52 mm。圖7無論漏水試驗還是蝶閥工作時，閥體受到水壓后，變形是不可避免的，在進行漏水試驗時，閥體下游側法蘭產生徑向變形呈橢圓狀，這就要求活門的密封帶要適應這一變形規律，以便相應做調整。經過精確的剛度計算和密封圈壓緊余量調節，可做到蝶閥漏水試驗以及初期商業運行時，主密封處滴水不漏。2.4閥軸密封圖8圖9閥軸密封屬于運動密封，傳統的密封型式在蝶閥工作一段時間后經常產生漏泄。經過多年的實踐，結合國外先進的密封技術，采用四道組合密封(見圖8)，閥軸頭處設有鋼套，鋼套外側設兩道O型密封,內側設兩

10、道密封，一道接近閥體內圓，采用整圈O型橡膠密封，另一道在閥體外側，采用3圈V型密封，這種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，封水可靠。2.5閥軸與軸瓦由于閥軸綜合應力較高，所以采用鍛鋼35CrMo材料，在與軸承和軸密封接觸的閥軸表面鍍鉻，增加了閥軸的抗磨蝕能力。閥軸與活門用切向圓柱銷連接。閥軸軸承處的壓應力較高，因此軸瓦采用銅基粉末自潤滑軸承DEVA-BM，這種軸承不但承載能力高，軸瓦表面還開有溝槽，一旦閥軸密封失靈，泥沙可以存在溝槽內，防止軸瓦和閥軸的磨損，保證軸承兩個大修期以上不用更換。閥軸與重錘和轉臂之間都采用圓柱銷子連接方式。2.6操作系統操作系統

11、由接力器、轉臂重錘、液壓鎖錠及附件組成，白山蝶閥雙平板式活門由于上下平板為非對稱結構，當活門處于全關位置時，重心偏離旋轉軸線處于下游側約163mm，活門重為42T,其最大關閉力矩為6.85T.m,為充分利用此力矩減輕重錘重量，所以2-500mm搖擺式接力器選擇布置在下游側，接力器和重錘布置在蝶閥的兩側。此種結構操作穩定性好，轉動部件受力均勻。接力器活塞環活塞環采用德國制造的聚四氟乙烯復合密封，一道密封可使接力器內漏為零,而且壽命長（不低于8年）,更換方便。活塞桿表面鍍鉻，抗磨損防生銹。活塞桿密封采用3道V型密封，保證不漏油，并設有刮塵裝置，接力器與壓力油管采用柔性高壓軟管連接。接力器行程末端設

12、有緩沖裝置，以防止活塞在行程終點時對缸體產生有害沖擊。本閥設全開和全關液壓鎖錠裝置(見圖9)，機組正常運行時鎖錠不投入；檢修時，活門處于全開位置，鎖錠銷投入防止活門關閉，同時可檢修或更換主密封圈；在全關位置，它能承受操作機構的最大作用力以防止水輪機在檢修時的誤開動作和其它形式的誤動作,操作方便，安全可靠。 2.8旁通管路和空氣閥為縮短蝸殼充水時間，設一條旁通管路，管路上有一個250針型液壓旁通閥，液壓旁通閥上下游側各設一只250常開手動閘閥，不停機便可以檢修液壓旁通閥。旁通閥為針型液壓旁通閥，閥針頭部具有良好的流態，可大大減輕旁通管路的振動及噪聲，并具有維修方便，運行穩定，壽命長的優點。針型閥的密封座和閥門表面堆焊不銹鋼，大大增加閥自身的抗磨蝕能力，延長了使用壽命。在伸縮節上還設有自調節式400空氣閥，充水時用以排氣；排水及動水關閉時用以補氣，防止真空產生。2.9伸縮節和連接管為了安裝、維修蝶閥方便，抵消蝶閥在受到水推力作用或溫度變化影響時的移動，蝶閥下游側設有伸縮節，通過可移動法蘭與水輪機蝸殼延伸段的法蘭聯接。伸縮節采用16Mn鋼板，伸縮管滑動段鋪焊不銹鋼，可增加密封部位的抗磨蝕能力。蝶閥上游側設有連接管，