大口徑調流閥應用研究

　　長(cháng)距離引水中常設有調流消能閥。目前,小口徑調流閥應用廣泛、技術(shù)成熟,大口徑的調流閥應用較少。本文通過(guò)對錐形閥和活塞閥兩種形式調流閥的比較,以及對錐形閥結構和消能效果的分析論證,證明大口徑調流閥采用錐形閥是完全可行的,這為在線(xiàn)式大口徑調流閥型式選擇提供了參考性建議。

1、概述

　　近幾年，隨著(zhù)我國城市工業(yè)迅速發(fā)展，以及國家對水利基礎建設的重視，長(cháng)距離、跨流域、大規模調水工程陸續上馬。長(cháng)距離的調水工程都存在調水流量變化大或水源水庫水位變化大的特點(diǎn)，由此造成輸水末端在小流量或水源水庫高水位時(shí)，不但需要調流還需要消去富余水能，所以，在長(cháng)距離引水中都常設有調流消能閥。我國已建的南水北調、山西引黃、黑龍江磨盤(pán)山引水工程均設有調流閥，但在以上大型引水工程中使用的最大調流閥直徑為1800mm。直徑大于2000mm的調流閥在國內大型引水工程中尚未有使用先例，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為大口徑調流閥在大型引水工程中應用的可靠性有待研究。

2、活塞式調流閥和錐形閥比較

　　目前，比較常用的調流消能閥主要有活塞式和固定錐形兩種�；钊�式調流閥的運動(dòng)部件為活塞，流量調節是通過(guò)活塞軸向運動(dòng)，改變活塞與外套筒間的過(guò)流面積實(shí)現的。錐形閥的運動(dòng)部件為外套筒，流量調節是通過(guò)外套筒軸向運動(dòng)，改變固定錐與外套筒間的過(guò)流面積實(shí)現調流的。

　　錐形閥與活塞閥比較，具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

　　a.消能型活塞式調流閥的節流部件為網(wǎng)狀或條形開(kāi)孔運動(dòng)部件，輸送原水在小開(kāi)度運行時(shí)易堵塞。錐形閥過(guò)流為環(huán)狀開(kāi)孔部分，輸送原水不易堵塞。

　　b.活塞閥消能部件與調流部件布置緊湊，閥體尺寸小。錐形閥的消能與調流分開(kāi)布置，閥體尺寸較長(cháng)。

　　c.活塞閥運動(dòng)部件在閥體內，運行維護復雜。錐形閥的運動(dòng)部件在閥體外，運行維護方便。

　　d.錐形閥為雙軸驅動(dòng)外套筒結構，直徑大小對操作結構穩定性影響小�；钊�式調流閥為單軸驅動(dòng)內部活塞，內部的活塞直徑越大，單桿驅動(dòng)的穩定性越差，所以直徑大于2000mm的活塞式調流閥存在操作運行穩定性差的缺點(diǎn)。目前，在國內投入使用的最大單軸驅動(dòng)的活塞式調流閥直徑為1.8m，而最大放空型錐形閥直徑為4m。

　　通過(guò)以上比較可以看出，兩種型式調流閥各有優(yōu)缺點(diǎn)，直徑小于2m的在線(xiàn)式活塞式調流閥應用較多，技術(shù)成熟。但大口徑活塞式調流閥存在操作穩定性差的缺點(diǎn)，所以從結構上看，錐形閥更適合作為大口徑調流閥應用。放空型錐形閥使用歷史悠久，技術(shù)成熟，已早被人們所熟知。但作為在線(xiàn)調流閥，在工程上應用較少，其可行性也備受質(zhì)疑，下面對錐形閥用于在線(xiàn)調流消能的可靠性做詳細論證。

3、固定錐形閥消能效果論證

3.1、錐形消能閥技術(shù)性能

　　3.1.1、閥門(mén)的消能和抗氣蝕的能力

　　錐形消能閥作為在線(xiàn)式調流閥不但應具有調流功能還應具有良好的消能能力。在線(xiàn)式的錐形閥內部結構見(jiàn)圖1。從結構圖上可以看出，在線(xiàn)式的錐形閥在出口加裝了速度導流器和能量導流裝置，保證消能閥具有良好的消能效果和抗氣蝕能力。

圖1 錐形閥結構示意圖

　　錐形閥后設能量導流器，使出口高速水流與導流片碰撞，消減速度水頭，消減能量。未加裝能量導流器的錐形閥，消能率為60%，加裝能量導流器的錐形閥消能率達90%。

　　消能閥最大的問(wèn)題是在前后大壓差小開(kāi)度條件下運行時(shí)，出口高速出流，出口管壁易氣蝕。固定錐形閥后端為錐形結構，使氣蝕發(fā)生的部位不在噴管的管壁上，通過(guò)設在閥門(mén)后端的速度和能量導流器，使氣蝕區域與閥體的金屬壁分開(kāi)，氣泡在閥體的內部破裂，而非在閥體內金屬壁破裂，同時(shí)，能量導流器可以避免閥門(mén)后端管道受氣蝕的破壞。即使在出口壓力為負壓時(shí)，仍保證良好的抗氣蝕特性。大壓差消能運行時(shí)，允許的噴管流速可達16m/s，抗氣蝕指數可達0.15，具有較好的抗氣蝕性能。

　　大壓差出口高速出流時(shí)，通過(guò)導流裝置，使出口水流迅速混合，變成穩定的層流，對閥后管道影響較小。加設速度導流器和能量導流裝置在線(xiàn)式調流錐形閥，允許的前后最大壓差為2MPa。

　　3.1.2、閥門(mén)的過(guò)流能力

　　消能閥在高水頭時(shí)，盡可能消減水頭，而在低水頭時(shí)，又需要過(guò)更大的流量。所以，既要有消能能力，又要有較好的過(guò)流能力。過(guò)流能力取決于最大開(kāi)度下的流阻系數，消能型固定錐形閥最大開(kāi)度下的流阻系數為1.35～2。與活塞式消能閥的流阻系數基本一樣。

　　3.1.3、閥門(mén)的可靠性

　　固定錐形閥閥門(mén)上設有人孔，不用拆卸閥體，即可通過(guò)人孔進(jìn)入閥體進(jìn)行維修。固定錐形閥驅動(dòng)機構在閥體外部，維修方便。固定錐形閥的前端密封采用金屬硬密封，閥門(mén)的壽命期內不需更換。

　　固定錐形結構簡(jiǎn)單，整個(gè)結構完全對稱(chēng)，運行穩定好，振動(dòng)小，磨損少，可靠性較高。

3.2、錐形閥模型試驗

　　放空型錐形閥最早于1989年在美國Hartman公司進(jìn)行模型試驗。在線(xiàn)式的錐形閥于1997年和1999年在美國猶他州水能實(shí)驗室完成了在線(xiàn)式的錐形閥模型試驗，對DN150的在線(xiàn)式錐形閥的流量系數、阻力系數、消能率、氣蝕系數、補氣進(jìn)行試驗測定。主要試驗結果如下：

　　a.出口最高流速達到16m/s，閥門(mén)無(wú)振動(dòng)。

　　b.帶速度導流器錐形閥全開(kāi)度下的流量系數為950，能量消除率達到55%～65%，全開(kāi)度阻力系數為1.2，10%開(kāi)度阻力系數為100。

　　c.帶速度和能量導流器錐形閥全開(kāi)度下的流量系數為910，能量消除率達到90%，全開(kāi)度阻力系數為1.5，10%開(kāi)度阻力系數為110(見(jiàn)圖2)。

圖2 帶能量導流器和速度導流器的錐形閥排放系數曲線(xiàn)

　　d.帶速度和能量導流器錐形閥的抗氣蝕系數達到3.5(見(jiàn)圖3)。

圖3 帶能量導流器和速度導流器的錐形閥氣蝕性能曲線(xiàn)

　　對錐形閥的結構分析以及美國的模型試驗報告證明帶速度和能量導流器的錐形閥具有較好的消能、抗氣蝕及流量調節性能，作為在線(xiàn)式調流閥是完全可行的。

4、工程實(shí)例

　　據相關(guān)資料介紹放空型的錐形閥早在1940年在美國開(kāi)始生產(chǎn)并投入使用，在線(xiàn)式錐形閥于1997年開(kāi)始研發(fā)并投入使用。2003年建設的臺灣高雄引水工程采用的調流設備是DN2600的在線(xiàn)式錐形調流閥，該工程已運行多年，至今運行良好。

　　2008年，我院設計的越南達門(mén)采用DN3000錐形閥作為電站旁通消能設施，設備已成功投入運行。經(jīng)過(guò)多方技術(shù)分析論證，觀(guān)音閣引水工程推薦采用DN2600的錐形閥作為在線(xiàn)式流量控制及消能閥。

5、結論

　　通過(guò)以上對在線(xiàn)式錐形閥的結構和模型試驗、技術(shù)性能參數分析研究以及國內外已投入運行工程的介紹，可以證明錐形閥作為在線(xiàn)式調流閥是完全可行的，可以在大型引水工程中推薦使用。