尾水閘門止水頂推裝置的設計及應用

千鑫

摘 要：尾水閘門的止水效果保證了機組水輪機部分檢修任務的順利開展，但由于尾水位偏低、閘門關閉傾斜、水封局部變形或損壞、門槽止水面汽蝕等多重因素的影響，尾水閘門的止水效果會大打折扣，尤其對于較小吸出高度的水輪機而言，未設置輔助密封的尾水閘門的止水穩定性更差，上述問題都可以通過合理地配置輔助裝置來補償密封的壓縮量以保證閘門的封水效果，本文通過對目前閘門常用止水方式的分析、比較，總結了各類止水方式的優缺點，并結合已投運電站閘門及門槽的設計情況設計了一種采用液控單向閥、單液壓缸控制的組合式頂推裝置，并詳細敘述了該頂推裝置的設計過程以及在應用了該頂推裝置后閘門漏水的改善情況，為遇到同類型缺陷的閘門提供借鑒方法。

關鍵詞：尾水閘門 止水 頂推裝置 液壓缸 輔助裝置

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（a）-0051-03

Abstract：The reliability of the sluice gate directly affects the turbine maintenance task smoothly，But Sealing effect of the gate sluice affected by many element，for example，Low tail water level、the slant Tail gate、the damaged Sealing ring、the Cavitation in Tail gate，especially For turbines with smaller suction height，The tail gate without an assisting equipments has Poor stability，But all of the above problems can be solved by install assisting equipments on the gate，By analysis and comparison of the new gate closing ways，I summarized the advantages and disadvantages of many assisting equipments，And combined the design of the old power station gates，I designed a pushing device with the Hydraulic control valve，This article details the design process of the pusher and the improvement of the Tail gate，This is also in order to provide the reference method for the same problem。

Key Words：Tail gate；Closed；Pushing device；Hydraulic cylinder；Assisting equipments

水輪發電機組尾水閘門是用來阻隔尾水，防止尾水倒灌進入轉輪室的設備，水電站最常采用平板式閘門，在尾水管內積水排空情況下，并依靠尾水的靜水壓力壓縮安裝在閘門內側的側水封從而達到止水目的。然而在實際使用過程中，常因尾水位偏低、閘門關閉時傾斜、水封局部變形或損壞、門槽止水面漏水引起汽蝕，導致埋件汽蝕破壞等一種或多種情況并存導致尾水閘門止水效果不良，影響水輪機檢修任務安全順利開展。對于上述情況，只能依靠增加側密封的壓縮量來彌補。因此，對比選用或設計一種最優輔助密封裝置就成為閘門封水的關鍵。

在處理閘門密封漏水時，可采用反向止水方式和金屬止水密封替代橡膠密封的方式，反向止水方式投資少，見效快，金屬止水密封不能改善密封槽加工面的精度且需要對尾水閘門及門槽進行改造，投資較大，某水電站通過分析、比較目前較為廣泛使用的液壓頂推楔形塊、雙p型液壓止水以及液壓缸直接頂推等尾水閘門[1]輔助密封裝置的優缺點，設計了采用具有良好閉鎖能力的液控單向閥[2]、單作用柱塞缸、雙作用液壓缸[1]控制的組合式頂推裝置。該裝置封水效果良好且本身可靠性高，成本低廉，易于維護。

1 反向液壓止水方式分析

液壓頂推楔形塊方式優點在于使用較小的液壓裝置能產生巨大的壓力，對液壓裝置的依賴性較小，可靠性較高，輔助密封效果較好，但是要求尾水閘門門槽尺寸需要配合設計，楔形塊較大的滑塊所施加的外作用力需要完全作用在門槽上，如果門槽尺寸較小，勉強安裝該裝置，其縮小的滑枕、滑塊強度也會不滿足要求，另一方面液壓頂推楔形塊裝置結構較為復雜，對滑枕、滑塊的結合面精度及裝配工藝要求比較嚴格，防腐、維護、保養工作也相對較大，不適合安裝在小型閘門上。

雙p型液壓止水方式是目前使用效果比較明顯的結構方式，閘門密封由一道增加為兩道，當第一道密封裝置失效時會自動啟動液壓裝置頂起第二道密封，通過液壓裝置的限位裝置使第二道密封壓縮量滿足設計要求，也可以在液壓系統上設置補壓功能，安全系數大大提高且液壓系統投資較小，因液壓裝置及密封的安裝需要在閘門設計時預留，因此該密封形式適用于新建電站，若既定電站閘門密封結構、門槽以及閘門尺寸，則不能滿足此形式密封的安裝使用。

液壓缸直接頂推方式，對于小型閘門使用范圍較多，但是目前在使用的該類閘門的液壓止水裝置多數設置有為整體供油的液壓回路及控制回路，液壓裝置不能單獨控制，并且長期固定在閘門上不能拆卸，由于尾水閘門大部分時間是停留在開啟的狀態，液壓止水裝置受到自然條件的影響，會加速液壓裝置及管路的老化，嚴重影響使用壽命。且該類液壓止水鋼閘門的控制回路是所有液壓止水裝置均使用同一回路進行，當有一個止水裝置發生滲漏而不能及時補充壓力油的時候，所有的液壓回路都會泄壓，直接影響閘門的止水效果。

2 某電站閘門止水頂推裝置選擇及介紹

2.1 電站基本情況

計容量為40MW，尾水閘門采用平板式尾水閘門，閘門自重7.0t，閘門尺寸6000×2442，側水封寬度5160mm，高度2437mm，設計壓縮量為5mm，最高正常尾水位443.22m，最低正常尾水位439.73m，尾水管底部高程429.776m。

2.2 液壓裝置選型計算：

（1）對閘門水流方向進行受力分析（見圖1）可得出閘門受橡膠密封的彈力F1，閘門底部與底坎的摩擦力F2，液壓止推裝置壓力F3，水推力F4[3]，由此可得到：

F1+ F2= F3+ F4 （1）

（2）假如閘門存在漏水情況且漏水量比較大，這時閘門所受的水推力已經不能滿足技術要求，且存在一種情況即為漏水量過大在閘門前后已經不能有效形成壓差，這時候水推力即為0，此時壓縮密封的力只能依靠液壓止推裝置來實現，可得到：

F1+ F2= F3 （2）

（3）本廠使用的橡膠密封為P45水封[4]，水封頭部半徑為25mm，水封設計壓縮量為5mm，表1中數據是在水封壓縮量為5mm情況下的實驗數據[5]。

（4）根據F1+ F2= F3即可得到：

P1S1+μMg=nP3πR2 （3）

其中，μ取鑄鐵-橡皮之間的滑動摩擦系數為0.8，n為設置千斤頂的個數。

通過計算可以得到液壓止推裝置壓力為0.176×106N，設計液壓裝置的個數、壓強以及液壓裝置的半徑是一個不斷校核、計算和驗證的過程，需要根據電站的閘門設計尺寸進行設計，對于本電站，通過計算用于該電站閘門的液壓止推裝置n=4，P3=4MPa，R=30mm。

2.3 液壓止推裝置結構及原理介紹

（1）根據電站尾水閘門的運行情況，通過計算出的參數（n=4，P3=4MPa，R=30mm）對4組液壓缸進行結構尺寸設計[6]，考慮到成本以及環境因素，活塞材料選擇耐腐蝕性較好、強度較高的04Cr13Ni5Mo[7]，其余缸體結構選擇不銹鋼304。液壓裝置額定壓力4MPa，最大設計壓力為10MPa，最大行程83mm，采用低摩擦力、運動速度高的YX型接觸式動密封，端蓋部分增加防塵環阻隔外部水壓[6]，根據現場環境情況選擇高壓軟管以及壓力表、閥門的布置方式。

（2）液壓缸的操作過程分為驅動過程、保壓過程以及泄壓過程。驅動過程是通過啟動油泵將壓力油通過高壓軟管、液控單向閥通至液壓缸后腔，當達到額定壓力，液壓缸頂出輔助閘門密封止水，停止供油，通過排水檢查尾水閘門漏水情況，當某一處液壓缸區域出現漏水較大情況，可以開啟此液壓缸回路繼續驅動液壓缸，觀察壓力上升及閘門漏水情況，并且通過壓控單向閥、“O”型密封圈和組合密封的密封作用輔助下腔完成保壓過程；泄壓過程是通過油泵啟動液控單向閥并向液壓缸前腔供油，使液控單向閥控制活塞啟動聯通出油口。使得下腔壓力油反向流動，同時上腔供壓力油，液壓缸活塞回縮進行缸體下腔泄壓，完成泄壓過程。

2.4 該電站使用的止推裝置的優點

（1）正常情況下閘門起落每年度一次，因此止推裝置使用螺栓進行固定方便對裝置及其油管路的拆卸及維護保養，避免止推裝置長期接受自然環境影響，加速老化影響使用壽命。

（2）止推裝置采用每個液壓缸單獨控制油路，在閘門各處漏水量不一的情況下，單獨啟動某一組液壓回路，增加閘門部分漏水較大區域密封壓縮量，以保證漏水量滿足要求，即使某一液壓缸出現滲漏，其余液壓缸仍能保持壓力，仍可保證閘門的止水效果。

（3）該裝置采用液控單向閥，利用錐閥關閉的嚴密性，使油路長時間保壓，增強油壓系統使用的可靠性，且整個操作系統投資少，回報大，系統運行可靠。

3 結語

目前此種但靠橡膠密封進行封水在老電站較為常見，因門槽安裝、閘門變形等原因出現閘門漏水情況也比較普遍，在不進行閘門密封技術改造的情況下，如何分析選用比較合理的輔助止水方式是比較難以抉擇的問題，針對實際問題找出解決方案，才能保證閘門安全可靠運行。

參考文獻

[1] 黃長征，張文新.手動快速便攜式超高壓千斤頂研制[J].機床與液壓，2014，42（8）：330-333.

[2] 曾紅，李立峰.液控單向閥在液壓回路中的正確使用[J].遼寧工學院學報，2005，25（5）：330-333.

[3] 李建中.水力學[M].西安：陜西科學技術出版社，2002.

[4] 安徽省水利局勘測設計院.水工鋼閘門設計[M].北京：水利出版社，1980.

[5] 薛小香，吳一紅，李自沖，等.高水頭平面閘門P型水封變形特性及止水性能研究[J].水力發電學報，2012，31（1）：56-59.

[6] 付平，常德功.密封設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2009.

[7] 王治宇，許海剛，宋紅梅.04Cr13Ni5Mo超級馬氏體不銹鋼焊接性能研究[J].寶鋼技術，2016，4（5）：21-25.