球阀的工作原理及结构特点

球阀安装在水轮机转轮的前端，其标称直径一般等于压力钢管的直径。

球阀的直径按中型水轮机供水阀系列推荐标准为DN500、DN650、DN800、DN1000、DN1300、DN1600、DN2000、DN2400和追加DN2500、DN2800、DN3000、DN3400、DN3500、DN4000、DM600。

球阀的优点是水头较高，闸门刚性好，挠曲变形小，密封性能好，密封装置不能磨损，闸门全开时，其通水孔与配管内径一致，水力损失几乎没有，采用了柔性密封结构。 由于开闭球阀时所需的操作扭矩小，而且球阀挡板的刚性高于蝶阀挡板的刚性，因此动水关闭时的振幅小于蝶阀，极有利于动水紧急关闭。 其缺点是外形尺寸大于蝶阀，重量大，结构复杂，制造工艺复杂，成本高。

一般情况下，球阀主要用于高水头水电站，工作水头一般为240m以上且低于240m水头时，请选择蝶阀和圆筒阀进行比较。 现在世界上制作的球阀zui的大径达到了4. 6m，制作的球阀中zui的高动作水头达到了1700m。

(1)球阀的主要构成部分和作用；

供水球阀主要由主阀部、驱动部、旁通管路、上游合流部、下游伸缩部、锁定部、支承部、辅助部这8大部分构成(图24-8 )。

①主阀部分(标配):包括阀体、球体、阀轴及阀座(活塞止水环)等，该部分是阀整体的核心，发挥开关水流的作用。

②驱动部(标准配备):相对于电动操作的水轮供水球阀，其驱动部通过作为电动装置的液动操作操作供水球阀时，其驱动部分为液压继电器和斗杆(摆动油缸时)等，该部分发挥开闭主阀的作用。

③旁通管路(推荐采用):有旁通阀、检查阀(仅旁通阀)、钢管、弯管等，该部分在阀开闭前平衡上下游的压差，避免在全压差下开闭阀的水锤现象，起到有效降低阀的操作扭矩的作用。

④上游接头(标配液动止水环式水轮机供水球阀，其馀2种为选购件):用于阀与上游端压力钢管的连接，连接方式为通常焊接，确保50〜100mm的焊接分配馀量。

⑤下游伸缩节(标配液动止水环式水轮机供水球阀，其馀两种为选配件):包括插管和活动法兰两部分，用于阀门和下游水轮机供水涡轮的连接，连接方式为法兰连接。 通过伸缩节的方式，阀自身的检查维护变得容易，另一方面，也能够应对温度压力的变化引起的配管的轴向膨胀收缩。

⑥锁定部分(选购件):主要包括上游检查密封锁和继电器锁。 主要用于防止误操作引起的阀误动作，保证系统的安全性和可靠性。

⑦支撑部分:包括主阀和继电器底座，底座通过地脚螺栓安装在混凝土脚上，支撑阀的重量，为摆动式继电器提供固定旋转轴。

⑧安装部分:该部分用于控制阀的驱动部分，向驱动装置供给动力源，使阀按照预先设定的程序动作。

(2)球阀类型的特点

根据阀轴的配置方式可分为立式和横式，立式球阀结构复杂，运行中存在砂易卡堆积等缺点，被淘汰。 一般应优先横向配置，理由与蝶阀基本相同。 卧式球阀的密封类型有单面和双面两种，双面密封可以在不使用压力取水管的情况下检查动作密封等。

球阀全开时，圆筒形闸门的通水截面贯穿压力引水管道，相当于钢管，水流几乎无阻力，水力损失小，不发生振动。 全闭时，闸门旋转90°，用其密封装置隔断水流。

球阀关闭严密，漏水极少的止水环在闸门运动时不受摩擦，不易磨损的全开时的水流条件好，几乎没有水力损失的开闭时的操作扭矩小(动水操作时只有摩擦扭矩的5%左右的水阻力)，动水非常容易关闭。 但结构复杂，体积、重量大，成本高。

(3)球阀的结构特征

①不锈钢活塞式止水环液动止水环式水轮机供水球阀通过不诱导钢活塞式止水环来密封止水，通过液压或水压来控制止水环的投入者和退出(图24-9 )。 每天

台阀上设有2个止水环，上游侧为检查密封，下游侧为动作密封。 检查密封必须设置手动锁定装置，正常动作时检查密封为常开状态，仅在单元检查时投入，为了确保下游检查的安全性，必须手动投入锁定。 动作密封件在阀门关闭时投入，球体运动前退出，为了保证阀门在紧急情况下迅速关闭，阀门全开后动作密封件仍处于退出的状态。

通过改变加油(或水)的方向，控制止水环的动作方向以满足作业需要。 止水环和阀体与端盖之间的密封使用双重的0环，通过设置PTFE挡圈可以减少0环的磨损。 止水环的材料通常为不锈钢12Crl3。

②可更换闸门密封圈是止水式水轮机，由于球阀进水，水质差，用于水头高的电站，故不良工况下阀门消耗非常严重，尤其是密封面磨损非常严重。 为了提高阀的维护性，液动止水环式水轮机供水球阀设计成可拆卸阀的密封环的更换结构，阀长期使用的阀密封环严重磨损后，只能更换密封环，无需更换阀或另外购入阀

活门主要由活门体、密封圈、0形圈、螺钉、定位销(图24-10 )构成。 在密封环中，通过一组螺钉固定在闸门体对应部位的密封环与闸门体间的密封由零环保证的定位销的作用是密封环与闸门体的正确定位，从而在更换密封环后不会错开与闸门体的组装。 密封圈的材料通常为20013。

③更轻量的闸门结构液动止水式水轮机给水球阀通过多年的实践，抛弃了以前常用的完整球阀结构，采用球阀结构，大幅度减轻了闸门的重量(图24-11 )。 在节约大量投资的同时，也可以缓和百叶窗自重对阀壳的影响。

为保证闸门具有足够的强度和刚性，液动止水环式水轮机给水球阀在闸门的相应位置设置了肋，保证了阀门整体的可靠性。 闸门材料通常为WCB碳铸钢。

④更换止水环的结构液动止水环水轮机供水球阀独特的结构，不分解阀门或从配管上拆下，就能保证阀门止水环的维护和更换。

止水环的尾部设有拔出螺孔，止水环破损时，可依次取下伸缩节、端盖，使用专用工具取下止水环(图24-12 )。 修复或更换止水环后，也可按照与上述相反的顺序进行安装。 全过程无需拆卸阀门，阀门的维护非常方便。

⑤更合理的行程指示棒需要液动止水式水轮机给水球阀提供各种信号，以满足复杂的顺序控制需求，止水环投入和拔出的信号就是其中之一。 因为这是确定快门是否可以旋转的必要条件，所以该信号的准确性直接影响整个光阀的操作的准确性。

以往的行程指示杆通过螺钉与止水环连结，能够使指示杆完全反映止水环的活塞的动作状态(图24-13) 0)，但该结构的缺点如下

a .止水环、端盖和伸缩节(接合节)之间需要非常大的定位。 不那样的话，就不能安装操纵杆。

b .由于止水环没有轴向定位装置，因此使用中有向圆周方向旋转的倾向，指示棒容易卡住，因此影响止水环的动作可靠性，严重时切断指示棒。 考虑到这一点，采用了变形的行程指示杆结构。

变形的行程指示杆采用非固定式的构造(图)

24-14 )挡水环退出时，可以直接按下指示杆，挡水环投入人员时，可以弹簧的张力驱动指示杆。 这种结构可以很好地避免传统结构带来的弊端。

⑥先进的伸缩节形式水轮机供水球阀伸缩节由伸缩节插管和可动凸缘两部分构成(图24-15 )，密封件采用双重(或三重)橡胶的0环，为了减少可动凸缘的自重引起的0环的磨损，在各自的0环后面设置PTFE挡圈是有效的

该结构在两个方向都设置了一定的伸缩量，在阀门正常工作时，能够自动适应压力、温度变化引起的管道轴向膨胀或收缩。 进行阀的检查维修时(例如，更换止水环、阀密封件等时)，拆下伸缩节、供水涡旋凸缘和阀部分的连结螺栓，向上游(阀方向)推压可动凸缘，同时向下游(供水涡旋方向)推压插管，缩短伸缩节的长度，满足阀装卸要求的空间 在伸缩节自身的密封环破损需要更换时，拆下伸缩节和供水涡旋凸缘的连接螺栓，管不动，将可动凸缘向上游(阀方向)推压，直到完全露出0环槽为止，可以简单地更换0环(图24-17 )。

⑦满足微机监视要求的水轮供水球阀可以一组提供电动或液动PLC控制盘，液动水球阀也可以一组提供液压装置。

请在控制面板上设置指示主阀开闭的信号装置。对指示旁通阀开闭的信号装置继电器指示接通和拔出的信号装置功能，检查密封的信号装置的液压计、阀前、阀后水压计。 这些传感器供应信号，连接控制盘和中央控制室，实现阀门的定位操作和中央控制，满足微机监视的要求。

⑧满足动水关闭要求的水轮机供水球阀是根据电厂实际情况设计的，所有数据经过严格的计算和验证，zui最大限度地保证了运行的安全性，油气针阀不关闭，满足了旁路不公正和紧急关闭的要求。

⑨检修孔结构(选购件)针对SDIV900的水轮机供水球阀，根据需要设计检修孔结构，使阀门及相关设备的检查变得容易。

⑩水轮供水球阀阀轴密封阀轴密封件为运动密封件，在阀轴头设置钢制的套管，在钢制的套管的外侧设置两个密封件，在内侧设置两个密封件，一个接近阀体的内圆，采用圆形的o形橡胶密封件，另一个在阀体的外侧采用u形密封件， 该密封结构的优点是砂土不进入衬套，钢套拆卸容易，保证阀体旋转灵活。 给水球阀不拆下阀体就可以更换检查密封、动作密封及轴颈密封。

阀轴和轴承阀轴由锻钢制成，在轴承和轴头密封件接触的表面堆积不锈钢层，提高耐磨性，阀轴和阀用螺栓成为一体。 轴承采用德国进口DEVA-BM轴承，负荷性能良好。

气阀的名义直径为DiV200，安装在水轮供水球阀伸缩管的顶部。 涡轮壳注水时自动打开。 水一进入涡旋盘，其内部的空气就通过空气阀排出到大气中。 水轮机供水球阀的动水关闭时，空气阀向涡旋及伸缩管补给空气，以免产生真空而丧失稳定性。