白山电站蝴蝶阀的结构分析-最终

白山电站蝴蝶阀的结构分析摘 要 本文结合吉林白山电站蝴蝶阀的实际设计、试验、制造、运行情况，对电站大型蝶阀的结构进行了分析,及在水电站上的应用。关键词 大型水轮机蝶阀；结构；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, and the application on the hydro power station.Key words: Large turbine butterfly valve; structure; capability1 前言在水电站的布置方案中,根据水轮机运行的需要,除引水钢管进口装设检修阐门(或快速阐门)外,在水轮机蜗壳进口处还装设蝴蝶阀或球形阀。其功用是：进水管道或机组检修时关闭阀门以切断水流而不影响其它机组运行,机组长期停机时,关闭阀门以减少水流漏损,保护导水机构、转轮及其它流道，避免间隙空化和泥沙磨损 , 机组发生事故而导水机构失灵不能关闭时，紧急关闭阀门以防止事故扩大。蝴蝶阀的优点是较其它形式的阀门外形尺寸小，重量轻，结构简单，操作方便，成本约为同直径球形阀的1/2。所以蝴蝶阀广泛的应用于水头低于250米的水电站上。目前世界上已制成的蝴蝶阀最大直径达8.23米,已制成的蝴蝶阀中最高水头达300米。一般情况下，蝴蝶阀的最高使用水头不宜超过250米，更高水头时，应和球阀作选型比较。蝴蝶阀的形式根据活门的结构可分为菱形、铁饼形、平斜形、双平板形，通流式双平板蝶阀起源于60代初，由于具有水力性能好、设计制造成本低、工作安全可靠等优点而逐渐取代其它型式的蝶阀，在大中型蝶阀中占据着主导地位，并在水电站得到了广泛应用。2白山蝶阀的结构与分析2.1 基本参数公称直径： 4200 mm最大静压： 1.52 Mpa最大升压： 1.8 Mpa开启时间： 30-90 s关闭时间： 30-90 s接力器直径: 2-500 mm接力器操作油压： 6.3 Mpa全开时阻力系数： 0.080.122.2 蝶阀的总体结构图2图1蝴蝶阀为卧轴、通流式、双平板、偏心结构（见图1、图2），主密封采用整圈实心高硬耐油橡胶密封,密封紧量可根据需要进行调整。蝶阀的正常开启与关闭由直缸摇摆接力器操作，当导水机构失灵且蝶阀接力器失去油压时，可以通过重锤进行动水关闭。每台蝴蝶阀配有一套油压装置及操作柜，接力器及操作系统位于下游侧，上游侧设上游连接管与压力钢管焊接联接，伸缩节放置于进水阀的下游侧，伸缩节可移动法兰与水轮机蜗壳延伸段法兰采用螺栓联接。蝶阀本体主要部件包括阀体、活门、主密封、接力器、锁定装置、旁通管路和空气阀。221 阀体蝶阀采用的是铸焊结构阀体(见图3)，其中轴座为ZG20SiMn，与主密封圈配合的阀体密封座采用堆焊不锈钢，其余部分为16MR钢板。图6图3阀体是承受水压的部件，加工后在厂内需作水压试验，试验压力为升压水头的1.5倍，时间30min。为了保证足够的阀体刚度、减少漏水、节约材料，阀体横断面为箱形结构。阀体的应力在打压试验、漏水试验、动水关闭三个工况中，以动水关闭工况的应力为最大，其中最大的应力点位于阀座的轴孔上，且最大应力点的应力为局部应力。在进行漏水试验时，阀体下游侧法兰产生径向变形呈椭圆状(见图4)，这就要求活门的密封围带要适应这一变形规律，以便相应做调整。阀体过流表面为拱型结构，用钢板平滑过度，不但减小了通流面积的变化，而且降低了蝶阀的流阻系数和振动、噪声。阀体的水力损失约占整个蝶阀水力损失的2/3，而活门的水力损失只占整个蝶阀水力损失的1/3。阀体的水力损失大的主要原因是蝶阀密封处有一个较大的直径收缩，这个较大的直径收缩产生了较大的水力损失，此结构是降低蝶阀水力损失的有效方法。图4图5蝶阀在受到水推力作用，会有移动的趋势。如果地脚螺栓牢牢把住阀体或阀体地脚孔过小，不但地脚螺栓将承受巨大的剪应力，而且在倾覆力矩的作用下，阀体和阀体联接螺栓都要承受很大的负荷。所以将阀体地脚孔设计为腰形孔，在阀体地脚孔内设一套筒，其套筒法兰底面与阀体地脚板之间有一微小间隙，允许蝶阀在支承板上自由滑动，使地脚螺栓不承受剪力，此结构大大改善了地脚螺栓和阀体的受力情况，见图5。2.2活门活门采用双平板(通流式)型铸焊结构，两端与阀轴连接的轴头用ZG20SiMn钢铸造，其余用Q235钢板拼焊。活门的结构型式不仅对水流性能有直接影响，而且与活门的刚强度性能密切相关，活门要有适当的强度和刚度，经过刚强度计算分析，活门采用四块梯形肋板，见图6。经过多次模型试验和结构优化，在肋板与盖板的迎水面与出水面上采用翼形设计，使活门获得良好的流态，避免卡门涡振动，降低了活门全开时流阻系数，有效提高了水力资源的利用率。为了充分利用水力矩减小重锤重量实现蝶阀动水自关闭和提高主密封的效果，活门采用偏心设计。在设计蝶阀时，应通过蝶阀刚强度计算、动静水操作计算、接力器容量和重锤的综合选择偏心量，不能太大。否则将导致蝶阀尺寸增加。2.3主密封与活门密封圈配合的阀体密封座，采用堆焊不锈钢结构，为了延长密封座的使用寿命，密封座采用不锈钢材料，密封表面粗糙度不大于0.8。转动灵活，封水可靠。活门密封（见图7）采用整圈的实心高硬耐油橡胶I-3，硬度高达75邵尔，用不锈钢压板将橡胶密封圈压在活门上，活门置于全开位置时，不拆卸阀体可检修或 更换密封圈。 当活门在全关位置时，受水压力和活门变形的作用橡胶密封有最大紧量，当活门下游冲水后，压紧量逐步减小。密封压紧量可以通过不锈钢压板进行微调，压紧量在0.52 mm。图7无论漏水试验还是蝶阀工作时，阀体受到水压后，变形是不可避免的，在进行漏水试验时，阀体下游侧法兰产生径向变形呈椭圆状，这就要求活门的密封带要适应这一变形规律，以便相应做调整。经过精确的刚度计算和密封圈压紧余量调节，可做到蝶阀漏水试验以及初期商业运行时，主密封处滴水不漏。2.4阀轴密封图8图9阀轴密封属于运动密封，传统的密封型式在蝶阀工作一段时间后经常产生漏泄。经过多年的实践，结合国外先进的密封技术，采用四道组合密封(见图8)，阀轴头处设有钢套，钢套外侧设两道O型密封,内侧设两道密封，一道接近阀体内圆，采用整圈O型橡胶密封，另一道在阀体外侧，采用3圈V型密封，这种结构的好处是泥沙不会进入轴瓦,既可保证钢套拆卸方便，又可保证活门转动灵活，封水可靠。2.5阀轴与轴瓦由于阀轴综合应力较高，所以采用锻钢35CrMo材料，在与轴承和轴密封接触的阀轴表面镀铬，增加了阀轴的抗磨蚀能力。阀轴与活门用切向圆柱销连接。阀轴轴承处的压应力较高，因此轴瓦采用铜基粉末自润滑轴承DEVA-BM，这种轴承不但承载能力高，轴瓦表面还开有沟槽，一旦阀轴密封失灵，泥沙可以存在沟槽内，防止轴瓦和阀轴的磨损，保证轴承两个大修期以上不用更换。阀轴与重锤和转臂之间都采用圆柱销子连接方式。2.6操作系统操作系统由接力器、转臂重锤、液压锁锭及附件组成，白山蝶阀双平板式活门由于上下平板为非对称结构，当活门处于全关位置时，重心偏离旋转轴线处于下游侧约163mm，活门重为42T,其最大关闭力矩为6.85T.m,为充分利用此力矩减轻重锤重量，所以2-500mm摇摆式接力器选择布置在下游侧，接力器和重锤布置在蝶阀的两侧。此种结构操作稳定性好，转动部件受力均匀。接力器活塞环活塞环采用德国制造的聚四氟乙烯复合密封，一道密封可使接力器内漏为零,而且寿命长（不低于8年）,更换方便。活塞杆表面镀铬，抗磨损防生锈。活塞杆密封采用3道V型密封，保证不漏油，并设有刮尘装置，接力器与压力油管采用柔性高压软管连接。接力器行程末端设有缓冲装置，以防止活塞在行程终点时对缸体产生有害冲击。本阀设全开和全关液压锁锭装置(见图9)，机组正常运行时锁锭不投入；检修时，活门处于全开位置，锁锭销投入防止活门关闭，同时可检修或更换主密封圈；在全关位置，它能承受操作机构的最大作用力以防止水轮机在检修时的误开动作和其它形式的误动作,操作方便，安全可靠。 2.8旁通管路和空气阀为缩短蜗壳充水时间，设一条旁通管路，管路上有一个250针型液压旁通阀，液压旁通阀上下游侧各设一只250常开手动闸阀，不停机便可以检修液压旁通阀。旁通阀为针型液压旁通阀，阀针头部具有良好的流态，可大大减轻旁通管路的振动及噪声，并具有维修方便，运行稳定，寿命长的优点。针型阀的密封座和阀门表面堆焊不锈钢，大大增加阀自身的抗磨蚀能力，延长了使用寿命。在伸缩节上还设有自调节式400空气阀，充水时用以排气；排水及动水关闭时用以补气，防止真空产生。2.9伸缩节和连接管为了安装、维修蝶阀方便，抵消蝶阀在受到水推力作用或温度变化影响时的移动，蝶阀下游侧设有伸缩节，通过可移动法兰与水轮机蜗壳延伸段的法兰联接。伸缩节采用16Mn钢板，伸缩管滑动段铺焊不锈钢，可增加密封部位的抗磨蚀能力。蝶阀上游侧设有连接管，