一、概述
水轮机是水电站的重要机电设备之一。为了保证水轮机安全和可靠的运行，水轮机的入水口处均装设有进水球阀，上游与压力钢管连接，下游与水轮机进水蜗壳连接。一方面在水轮机及发电机组检修时通过该阀切断压力钢管内的水流，保证检修的安全；另一方面在水轮机及发电机出现异常时可有效切断水流，防止事故的发生，由于水轮机运行的特殊要求，通用球阀在水电站的运行中不能满足工况系统的使用要求，导致机组无法运行的现象也时有发生。为了确保水轮机组能平稳、可靠、安全的运行，在消化吸收国外先进技术的基础上，采用全新的设计理念，研制开发出新型水轮机进水球阀。
二、主要构成部分及作用
水轮机进水球阀主要由主阀部分、驱动部分、旁通管路、上游凑合节、下游伸缩节、锁定部分、支撑部分及配套部分等8大部分组成，参见图1。
(1)主阀部分(标配)：包括阀体、球体、阀杆及阀座(活塞止水环)等，该部分是整个阀门的核心，其作用是接通或切断水流。
(2)驱动部分(标配)：对于电动操作的水轮机进水球阀，其驱动部分为电动装置；对于液动操作水轮机进水球阀，其驱动部分为液压接力器与拐臂(对于摇摆缸)等，该部分的作用是驱动主阀进行启闭动作。
(3)旁通管路(推荐采用)：包括旁通阀、检修阀(仅用于旁通阀)、钢管、弯头等，该部分的作用是在阀门启闭前平衡上下游压差，避免在全压差下启闭阀门出现水锤现象以及有效地降低阀门的操作力矩。
(4)上游凑合节(对液动止水环式水轮机进水球阀为标配，对其余两类为选配)：用于阀门与上游端压力钢管进行连接，连接方式通常为焊接，并且会预留50～100mm的焊接配割余量。
(5)下游伸缩节(对液动止水环式水轮机进水球阀为标配，对其余两类为选配)：包括插管与活动法兰两部分，用于阀门与下游水轮机进水蜗壳连接，连接方式为法兰连接。通过伸缩节的方式，一方面可方便对阀门自身进行检修维护，另一方面可适应由于温度、压力的变化造成的管道轴向膨胀或收缩。
(6)锁定部分(选配)：主要包括上游检修密封锁定及接力器锁定。主要用于防止由于误操作带来的阀门误动作，保证系统的安全性及可靠性。
(7)支撑部分：包括主阀与接力器底座，底座通过地脚螺栓安装于混凝土支墩上，用于支撑阀门的总量及为摇摆式接力器提供固定转轴。
(8)配套部分：该部分用于控制阀门的驱动部分，为驱动装置提供动力源，并使阀门按照预先设定的程序进行动作。
三、结构特点
a、不锈钢话塞式止水环
液动止水环式水轮机进水球阀采用不锈钢活塞式止水环来密封止水，通过油压或水压来控制止水环的投入与退出，见图2。每只阀门设两个止水环，上游侧为检修密封，下游侧为工作密封。检修密封设手动锁紧装置，正常工作时检修密封处于常开状态，只在机组检修时投入，为保证下游检修的安全性，应手动将锁定投入。工作密封在阀门关闭时投入，在球体动作前退出，为保证阀门能在紧急情况下迅速关闭，在阀门达到全开后，工作密封仍然处于退出状态。
通过变换进油(或水)的方向来控制止水环的动作方向，以满足操作的需要。止水环与阀体及端盖之间的密封采用双重O型圈，并且可通过设置PTFE挡圈的方式来减小O型圈的磨损。止水环的材料通常为不锈钢1Crl3。
b、可更换的活门密封环
因止水环式水轮机进水球阀通常用于水质较差、水头较高的电站，所以恶劣的工况对阀门的损耗是非常严重的，特别是对密封面的磨损非常厉害。为了提高阀门的可维护性，液动止水环式水轮机进水球阀将阀门的密封环设计为可拆卸可更换结构，在阀门长期使用活门密封环发生严重磨损后，可仅对密封环进行更换而不需要更换活门或另购阀门，这将大大提高阀门主体的使用寿命，同时也会大大降低资金投入。
活门主要由活门体、密封环、O型圈、螺钉及定位销组成，见图3。密封环通过一组螺钉固定在活门体相应部位，密封环与活门体之间的密封靠O型圈来保证，定位销的作用在于密封环与活门体的准确定位，以免密封环更换以后与活门体发生装配错位。活门密封环的材料通常为2Crl3。
c、更轻便的活门结构
液动止水环式水轮机进水球阀经过多年的实践，摒弃了之前常用的完整球形活门结构，而采用了类球状结构，见图4，大大减轻了活门的重量。一方面可以节省不少投资，另一方面亦可缓解活门自重对阀壳带来的受力影响。
为保证活门具有足够的强度与刚度，液动止水环式水轮机进水球阀在活门的相应部位设置加强筋，保证了阀门的整体可靠性。活门材料通常为WCB碳素铸钢。
d、方便更换止水环的结构
液动止水环式水轮机进水球阀独特的结构可保证在不将阀门拆开或不从管道上拆下的情况下，对阀门止水环进行维修及更换。
止水环尾部设有拔出螺孔，当止水环损坏时，可依次拆下伸缩节(或凑合节)、端盖、再用专用工具将止水环取出，见图5。止水环修复或更换后，亦可按照上述相反的顺序进行装配。整个过程不需要对阀门进行解体，极大的方便了阀门的维修维护。
f、更加合理的行程指示杆
为了满足复杂的顺序控制需要，液动止水环式水轮机进水球阀需要提供各种信号，止水环投入与拔出的信号就是其中之一。它是判断活门是否可以进行转动条件的必备条件，因此该信号的准确性将直接影响到整个阀门动作的准确性。
传统行程指示杆通过螺纹与止水环连在一起，可将止水环的活塞动作状态完全反映到指示杆七，见图6。但此种结构的缺点在于：
(1)装配时必须保证止水环、端盖与伸缩节(凑合节)之间有非常精确的定位，否则无法安装指示杆。
(2)止水环没有周向定位装置，在使用过程中可能存在沿圆周方向转动的趋势，很容易将指示杆卡住，这样一来会影响止水环动作的可靠性，严重时还会将指示杆剪断。考虑到这种情况，采用了如下图所示的指示杆结构。
改型的行程指示杆采用了非固定式的结构见图7，当止水环退出时，可直接将指示杆推动，当止水环投入时，通过弹簧张力使指示杆随之运动。该结构可很好地避免传统结构所带来的弊端。
g、先进的伸缩节形式
水轮机进水球阀伸缩节由伸缩节插管和活动法兰两部分组成见图8，密封采用双重(或三重)橡胶O型密封圈，为减小活动法兰自重对O型圈的磨损挤压，在每只O型圈背后设置PTFE挡圈，此举可有效延长O型圈使用寿命及提高密封的可靠性。
该结构在两个方向均设置一定的伸缩量，当阀门正常工作时，该结构可以自动适应由于压力、温度变化带来的管道轴向膨胀或收缩。当对阀门进行检修维护时(如更换止水环、活门密封囤等)，拆下伸缩节与进水蜗壳法兰及阀门部分的连接螺栓，将活动法兰向上游(阀门方向)推动，同时将插管向下游(进水蜗壳方向)推动，缩短伸缩节长度，腾出足够空间满足阀门拆装要求，见图9；当伸缩节自身的密封圈损坏需要更换时，拆下伸缩节与进水蜗壳法兰的连接螺栓，插管不动，将活动法兰向上游(阀门方向)推动，直至完全露出O型圈槽，此时可以非常方便地对O型圈进行更换，见图10。
h、满足微机监控要求
水轮机进水球阀可配套提供电动或液动PLC控制柜，对于液动水电球阀，还可配套提供油压装置。
控制柜应设有以下信号装置：指示主阀开启与关闭的信号装置；指示旁通阀开启与关闭的信号装置；指示接力器锁定投入与拔出的信号装置；指示工作、检修密封的信号装置；油压表、阀前、阀后水压表。这些传感器提供信号，并与控制柜和中央控制室连接，实现阀门的就地操作或中央控制，满足微机监控的要求。
i、满足动水关闭的要求
水轮机进水球阀根据电站的实际情况进行设计，所有数据均经过严格的计算及校核，最大限度保障了运行的安全性，满足在喷针不关闭、旁通不平压下的紧急关断要求。
j、人孔结构(可选)
对于DN≥900mm的水电球阀，根据需要，可以设计人孔结构，以方便地对阀门及相关设备进行检修。
k、上游密封
水轮机进水球阀采用先进的弹簧预紧具有活塞效应的浮动阀座组件，采用上游密封的设计机理，能良好地实现密封。
在管道无压力或低压力时，由初始密封预紧力保证阀门的密封效果；在管道正常压力时，由介质压力推动具有浮动效应(沿流道方向的来回运动)的上游阀座紧贴球体来达到密封，见图11。
每只阀门有两个阀座，两个方向都能密封，因而安装没有方向的限制。
l、双截断双排放(DBB)
该功能是针对阀门中腔而言。所谓“双截断”，是指阀门在全开及全关时，阀门中腔与流道均被上下游阀座截断；所谓“双排放”，是指阀门在全开及全关时，均可对中腔进行排放。水轮机进水球阀具有DBB功能，可定期排放中腔的介质和积滞物，可减少污物对阀门密封面的损伤，有效延长阀门使用寿命，见图12。
m、中腔自动泄压
水轮机进水球阀使用弹簧预紧阀座，当中腔停滞的介质出现异常升压时，能压缩弹簧而自动泄压，见图13。
n、弹簧预紧结构
水轮机进水球阀全部采用弹簧预紧阀座结构，在阀座支承圈后设置预紧弹簧，见图14。其主要作用首先是为球阀提供必要的初始密封预紧力；其次还可实现阀座的自动泄压；另外在阀门长期频繁使用后，软阀座会出现少量的磨损，通过弹簧力可以补偿磨损，从而延长阀门寿命。
水轮机进水球阀的预紧弹簧均经过严密的计算，可以同时保证提供必要的初始密封预紧力及达到最轻便的操作力矩。通常情况下，预紧弹簧采用螺旋压缩弹簧。
o、水轮机进水球阀阀轴密封
阀轴密封属于动密封，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U型密封，这种封水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。球阀能在不拆开阀体的情况下更换检修密封、工作密封及轴颈密封。
p、阀轴与轴承
阀轴采用锻钢制造，在与轴承及轴头密封相接触的表面堆焊有不锈钢层，以增加抗磨蚀能力，阀轴与活门用螺栓拧合成一体。轴承采用德国进口DEVA—BM轴承，具有良好的承载性能。
q、空气阀
空气阀名义直径为DN200，装在水轮机进水球阀伸缩管的顶部。当蜗壳放水时，它就自动打开。当蜗壳充水时，其内部的空气通过空气阀排入大气中。当水轮机进水球阀关闭时，空气阀向蜗壳及伸缩管补入空气，以免产生真空而丧失稳定性。
四、工作原理
当水轮机进水球阀要开启时，首先解除检修密封处的3套周圈均布的沿水流方向锁定检修密封的锁定装置，然后在检修密封的开启腔通入压力油，使检修密封处于开启状态，上游检修密封的行程开关的信号显示开启，在此状况下，在下游工作密封的开启腔通入压力油，使工作密封处于开启状态，且下游工作密封的行程开关的信号显示开启。这样，水流就通过上游检修密封处的周圈间隙与下游工作密封的周圈间隙向蜗壳内充水，当活门前后压力趋于平衡，控制水轮机进水球阀的压力传感器和压力开关的显示达到设定值时，接力器转动活门由全关旋转到全开，水轮机进水球阀开启过程结束。
当水轮机进水球阀要关闭时，接力器首先转动活门由全开旋转到全关，然后在下游工作密封的关闭腔通入压力油，使工作密封处于关闭状态，且下游工作密封的行程开关的信号显示关闭，水流被全部截断，水轮机进水球阀关闭过程结束。
一般情况下，上游检修密封始终处于开启位置，只有当机组检修或水轮机进水球阀更换密封时，关闭水轮机进水球阀检修密封，并投入检修密封的机械锁锭。长时间停机或机组发生事故而导水机构不能关闭时，关闭水轮机进水球阀工作密封。值得一提的是水轮机进水球阀工作密封是要经常动作的，而检修密封是很少动作的。另外，在引水钢管充满水的情况下，水轮机进水球阀的活门要么处于关闭，要么处于开启，不允许停留在其他位置做调节流量用。
五、控制原理
a、控制原理说明
水轮机进水球阀控制柜应设有以下信号装置：指示主阀开启与关闭的信号装置(1QPD、2QPD)；指示旁通阀开启与关闭的信号装置(6QPD)；指示接力器锁定投入与拔出的信号装置(3QPD)；指示工作、检修密封的信号装置(4QPD、5QPD)；油压表、阀前、阀后水压表。这些传感器提供信号，并与控制柜和中央控制室连接，实现阀门的就地操作或中央控制，满足系统的要求。
液动水轮机进水球阀当进行检修或更换下游工作密封时，将水轮机进水球阀关闭，通过电磁阀3WDP投入检修密封，行程开关5QPD发出信号，使上游检修密封关指示灯亮，为保证检修工作安全，应手动将检修密封锁紧，并将选择开关设为“检修密封投入”；正常工作时，应松开检修密封锁定，通过电磁阀3WDP退开检修密封，行程开关5QPD发出信号，使上游检修密封开指示灯亮，并将选择开关设为“检修密封退出”。
开启主阀时，按下开按钮，首先启动电磁阀2WDP，拔出接力器关锁定，通过行程开关3QPD将接力器关锁定拔出的信号返回控制柜，电磁阀5WDP动作，接通旁通阀的液压源，旁通阀达到全开位置时，行程开关6QPD将旁通阀已开启的信号返回。当主阀上下游的压力接近相等时，压力继电器(由控制柜提供)发出平压信号，使电磁阀4WDP动作，退开工作密封，行程开关4QPD将工作密封退出信号返回控制柜，随即启动电磁阀1WDP，接通接力器液压源，转动球体，球体转到位后，行程开关1QPD将阀门已达到全开位置的信号返回控制柜。再次接通旁通阀的液压源，关闭旁通球阀，相应的行程开关6QPD将信号返回控制柜。再次启动电磁阀2WDP投入接力器开锁定，球阀开启指示灯亮。球阀开启完成后，1WDP及JHF25在中间位置，封闭压力油管，使接力器泄压。接力器锁定动作必须准确可靠，锁锭未拨出，接力器不能操作。
关闭主阀时，按下关按钮，拨出接力器开锁定，开启旁通阀，接通接力器液压源，关闭球体。球体关到位后，旁通阀关闭，相应地将信号返回控制室。投入接力器关锁定，球阀关闭指示灯亮。接力器泄压。
六、结语
水轮机进水球阀作为水轮机组的进水阀门，对机组的事故保护和检修起着至关重要的作用，其性能的好坏，直接影响水电站的经济效益和社会效益。因此，水电站对水轮机进水球阀的性能要求也越来越高。特大型水轮机进水球阀设计、制造的难度非常大，既要考虑球阀的强度、刚度、密封性能，又要考虑铸件、锻件、加工件厂家的设备能力，以及运输条件。水轮机进水球阀的成功设计，使进水球阀的总体结构更为合理，性能更加先进，为工况系统的调试、运行和检修提供了可靠的保证。
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