尾水闸门止水顶推装置的设计及应用

千鑫

摘 要：尾水闸门的止水效果保证了机组水轮机部分检修任务的顺利开展，但由于尾水位偏低、闸门关闭倾斜、水封局部变形或损坏、门槽止水面汽蚀等多重因素的影响，尾水闸门的止水效果会大打折扣，尤其对于较小吸出高度的水轮机而言，未设置辅助密封的尾水闸门的止水稳定性更差，上述问题都可以通过合理地配置辅助装置来补偿密封的压缩量以保证闸门的封水效果，本文通过对目前闸门常用止水方式的分析、比较，总结了各类止水方式的优缺点，并结合已投运电站闸门及门槽的设计情况设计了一种采用液控单向阀、单液压缸控制的组合式顶推装置，并详细叙述了该顶推装置的设计过程以及在应用了该顶推装置后闸门漏水的改善情况，为遇到同类型缺陷的闸门提供借鉴方法。

关键词：尾水闸门 止水 顶推装置 液压缸 辅助装置

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：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

水輪发电机组尾水闸门是用来阻隔尾水，防止尾水倒灌进入转轮室的设备，水电站最常采用平板式闸门，在尾水管内积水排空情况下，并依靠尾水的静水压力压缩安装在闸门内侧的侧水封从而达到止水目的。然而在实际使用过程中，常因尾水位偏低、闸门关闭时倾斜、水封局部变形或损坏、门槽止水面漏水引起汽蚀，导致埋件汽蚀破坏等一种或多种情况并存导致尾水闸门止水效果不良，影响水轮机检修任务安全顺利开展。对于上述情况，只能依靠增加侧密封的压缩量来弥补。因此，对比选用或设计一种最优辅助密封装置就成为闸门封水的关键。

在处理闸门密封漏水时，可采用反向止水方式和金属止水密封替代橡胶密封的方式，反向止水方式投资少，见效快，金属止水密封不能改善密封槽加工面的精度且需要对尾水闸门及门槽进行改造，投资较大，某水电站通过分析、比较目前较为广泛使用的液压顶推楔形块、双p型液压止水以及液压缸直接顶推等尾水闸门[1]辅助密封装置的优缺点，设计了采用具有良好闭锁能力的液控单向阀[2]、单作用柱塞缸、双作用液压缸[1]控制的组合式顶推装置。该装置封水效果良好且本身可靠性高，成本低廉，易于维护。

1 反向液压止水方式分析

液压顶推楔形块方式优点在于使用较小的液压装置能产生巨大的压力，对液压装置的依赖性较小，可靠性较高，辅助密封效果较好，但是要求尾水闸门门槽尺寸需要配合设计，楔形块较大的滑块所施加的外作用力需要完全作用在门槽上，如果门槽尺寸较小，勉强安装该装置，其缩小的滑枕、滑块强度也会不满足要求，另一方面液压顶推楔形块装置结构较为复杂，对滑枕、滑块的结合面精度及装配工艺要求比较严格，防腐、维护、保养工作也相对较大，不适合安装在小型闸门上。

双p型液压止水方式是目前使用效果比较明显的结构方式，闸门密封由一道增加为两道，当第一道密封装置失效时会自动启动液压装置顶起第二道密封，通过液压装置的限位装置使第二道密封压缩量满足设计要求，也可以在液压系统上设置补压功能，安全系数大大提高且液压系统投资较小，因液压装置及密封的安装需要在闸门设计时预留，因此该密封形式适用于新建电站，若既定电站闸门密封结构、门槽以及闸门尺寸，则不能满足此形式密封的安装使用。

液压缸直接顶推方式，对于小型闸门使用范围较多，但是目前在使用的该类闸门的液压止水装置多数设置有为整体供油的液压回路及控制回路，液压装置不能单独控制，并且长期固定在闸门上不能拆卸，由于尾水闸门大部分时间是停留在开启的状态，液压止水装置受到自然条件的影响，会加速液压装置及管路的老化，严重影响使用寿命。且该类液压止水钢闸门的控制回路是所有液压止水装置均使用同一回路进行，当有一个止水装置发生渗漏而不能及时补充压力油的时候，所有的液压回路都会泄压，直接影响闸门的止水效果。

2 某电站闸门止水顶推装置选择及介绍

2.1 电站基本情况

计容量为40MW，尾水闸门采用平板式尾水闸门，闸门自重7.0t，闸门尺寸6000×2442，侧水封宽度5160mm，高度2437mm，设计压缩量为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 液压装置选型计算：

（1）对闸门水流方向进行受力分析（见图1）可得出闸门受橡胶密封的弹力F1，闸门底部与底坎的摩擦力F2，液压止推装置压力F3，水推力F4[3]，由此可得到：

F1+ F2= F3+ F4 （1）

（2）假如闸门存在漏水情况且漏水量比较大，这时闸门所受的水推力已经不能满足技术要求，且存在一种情况即为漏水量过大在闸门前后已经不能有效形成压差，这时候水推力即为0，此时压缩密封的力只能依靠液压止推装置来实现，可得到：

F1+ F2= F3 （2）

（3）本厂使用的橡胶密封为P45水封[4]，水封头部半径为25mm，水封设计压缩量为5mm，表1中数据是在水封压缩量为5mm情况下的实验数据[5]。

（4）根据F1+ F2= F3即可得到：

P1S1+μMg=nP3πR2 （3）

其中，μ取铸铁-橡皮之间的滑动摩擦系数为0.8，n为设置千斤顶的个数。

通过计算可以得到液压止推装置压力为0.176×106N，设计液压装置的个数、压强以及液压装置的半径是一个不断校核、计算和验证的过程，需要根据电站的闸门设计尺寸进行设计，对于本电站，通过计算用于该电站闸门的液压止推装置n=4，P3=4MPa，R=30mm。

2.3 液压止推装置结构及原理介绍

（1）根据电站尾水闸门的运行情况，通过计算出的参数（n=4，P3=4MPa，R=30mm）对4组液压缸进行结构尺寸设计[6]，考虑到成本以及环境因素，活塞材料选擇耐腐蚀性较好、强度较高的04Cr13Ni5Mo[7]，其余缸体结构选择不锈钢304。液压装置额定压力4MPa，最大设计压力为10MPa，最大行程83mm，采用低摩擦力、运动速度高的YX型接触式动密封，端盖部分增加防尘环阻隔外部水压[6]，根据现场环境情况选择高压软管以及压力表、阀门的布置方式。

（2）液压缸的操作过程分为驱动过程、保压过程以及泄压过程。驱动过程是通过启动油泵将压力油通过高压软管、液控单向阀通至液压缸后腔，当达到额定压力，液压缸顶出辅助闸门密封止水，停止供油，通过排水检查尾水闸门漏水情况，当某一处液压缸区域出现漏水较大情况，可以开启此液压缸回路继续驱动液压缸，观察压力上升及闸门漏水情况，并且通过压控单向阀、“O”型密封圈和组合密封的密封作用辅助下腔完成保压过程；泄压过程是通过油泵启动液控单向阀并向液压缸前腔供油，使液控单向阀控制活塞启动联通出油口。使得下腔压力油反向流动，同时上腔供压力油，液压缸活塞回缩进行缸体下腔泄压，完成泄压过程。

2.4 该电站使用的止推装置的优点

（1）正常情况下闸门起落每年度一次，因此止推装置使用螺栓进行固定方便对装置及其油管路的拆卸及维护保养，避免止推装置长期接受自然环境影响，加速老化影响使用寿命。

（2）止推装置采用每个液压缸单独控制油路，在闸门各处漏水量不一的情况下，单独启动某一组液压回路，增加闸门部分漏水较大区域密封压缩量，以保证漏水量满足要求，即使某一液压缸出现渗漏，其余液压缸仍能保持压力，仍可保证闸门的止水效果。

（3）该装置采用液控单向阀，利用锥阀关闭的严密性，使油路长时间保压，增强油压系统使用的可靠性，且整个操作系统投资少，回报大，系统运行可靠。

3 结语

目前此种但靠橡胶密封进行封水在老电站较为常见，因门槽安装、闸门变形等原因出现闸门漏水情况也比较普遍，在不进行闸门密封技术改造的情况下，如何分析选用比较合理的辅助止水方式是比较难以抉择的问题，针对实际问题找出解决方案，才能保证闸门安全可靠运行。

参考文献

[1] 黄长征，张文新.手动快速便携式超高压千斤顶研制[J].机床与液压，2014，42（8）：330-333.

[2] 曾红，李立峰.液控单向阀在液压回路中的正确使用[J].辽宁工学院学报，2005，25（5）：330-333.

[3] 李建中.水力学[M].西安：陕西科学技术出版社，2002.

[4] 安徽省水利局勘测设计院.水工钢闸门设计[M].北京：水利出版社，1980.

[5] 薛小香，吴一红，李自冲，等.高水头平面闸门P型水封变形特性及止水性能研究[J].水力发电学报，2012，31（1）：56-59.

[6] 付平，常德功.密封设计手册[M].北京：化学工业出版社，2009.

[7] 王治宇，许海刚，宋红梅.04Cr13Ni5Mo超级马氏体不锈钢焊接性能研究[J].宝钢技术，2016，4（5）：21-25.