白山抽水蓄能电站蝴蝶阀的结构分析

                                  1 引言

                                 

                              白山抽水蓄能电站蜗壳进口直径达<4.2m,如采用球阀其制造难度及成本将大大提高。抽水蓄能机组与常规水轮机运行特点对进水阀门影响的主要差别如下:(1)抽水蓄能机组进水阀开关次数较常规水轮机多,这就要求蝶阀主密封有很好的耐磨性,以增加主密封的寿命。(2)抽水蓄能机组在泵起动时,活门下游侧作用一定的反向水推力(常规水轮机无),但由于此时活门上游侧作用上游水压力,作用于活门上的压差力较小,活门变形也较小,不会对主密封的密封效果产生影响。

                                  根据上述技术论证与成本分析对比,进水阀最终方案采用蝴蝶阀。

                                  2 蝴蝶阀的结构与分析

                                  2.1 基本参数

                                 

                              公称直径:<4200mm最大静压:1.52MPa;最大升压:1.8MPa;开启时间:30~90s;关闭时间:30~90s;接力器直径:2-<500mm;接力器操作油压:6.3MPa;全开时阻力数:0.08~0.12。

                                  2.2 蝴蝶阀的体结构

                                 

                              蝴蝶阀采用卧、通流式、、偏心结构,为增加主密封寿命,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。每蝴蝶阀配有1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、旁通管路空气阀。

                                  2.2.1 阀体

                                 

                              蝶阀采用的是铸焊结构阀体,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。

                                 

                              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,时间为30min。为了保证足够的阀体刚度、减少漏水、节约材料,阀体横断面为箱结构。阀体的应力在打压试验、漏水试验、动水关闭3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,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。

                                 

                              阀体过流面为拱型结构,用钢板平滑过渡,不但减小了通流面积的变化,而且降低了蝶阀的流阻系数振动噪声。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

                                 

                              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1。

                                  2.2.2 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2。

                                 

                              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,避免门涡振动,

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