適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理
對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒式調流閥特性是使流量隨開(kāi)度y線(xiàn)性變化，這時(shí)關(guān)閉調流閥引起的水擊壓力升高最小。本文推導得到理想調流閥無(wú)量綱閥門(mén)流量系數S與開(kāi)度y和管路特性之間的解析計算公式，計算研究了理想調流閥水擊控制的效果，提出了具體的實(shí)施方法。
多噴孔套筒式調流閥的誕生已經(jīng)有40年的歷史(Miller，1969;Burg，1977)，目前在輸水工程中獲得廣泛應用。
多噴孔套筒式調流閥有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)可以在高壓差環(huán)境下，長(cháng)期無(wú)氣蝕運行;(2)可以全程(由全開(kāi)到全關(guān))調流調壓，調流精度高，一般為過(guò)流量的±0.5%;(3)無(wú)危害性噪音和振動(dòng)，用于清水時(shí)，可以長(cháng)期無(wú)故障運行，使用壽命長(cháng)達30～50年;(4)可以采用電力、液壓等多種方式驅動(dòng)，既可以現場(chǎng)操作，也可以遠方控制;(5)消能、減壓范圍廣，能適應上游水頭的不斷變化。
現有多噴孔套筒式調流閥無(wú)量綱閥門(mén)流量系數S和開(kāi)度y特性曲線(xiàn)是線(xiàn)性的，或者上凸的，最新的研究表明，對中高水頭、長(cháng)距離、大流量管道輸水工程，現有調流閥特性的設計存在水擊過(guò)程控制困難的問(wèn)題，其原因是在大開(kāi)度時(shí)，流量隨開(kāi)度y的減小改變不大，使得流量的改變集中在小開(kāi)度，導致水擊壓力過(guò)大，或者關(guān)閉時(shí)間太長(cháng)而無(wú)法實(shí)施。為此，2009年筆者針對一個(gè)實(shí)際工程研究了適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥，并被工程設計采用。
現在的問(wèn)題是，應該依據什么設計適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥?設計原理、方法、性能如何評估?
對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒式調流閥，簡(jiǎn)稱(chēng)為理想調流閥，特性是使流量隨開(kāi)度y線(xiàn)性變化，這時(shí)關(guān)閉閥門(mén)時(shí)的水壓與關(guān)閉時(shí)間成正比，在相同的線(xiàn)性關(guān)閉時(shí)間，調流閥引起的水擊壓力升高最小。
本文將首先研究理想調流閥設計原理，然后通過(guò)計算研究理想調流閥水擊控制的效果。
1、理想調流閥設計原理
調流閥進(jìn)出口水頭損失可描述為
式中，ΔH為調流閥的水頭損失;Q為通過(guò)調流閥的水流流速;A為截面積;ζ為閥門(mén)局部阻力系數;g為重力加速度。
式(1)可以改寫(xiě)為
式中，ΔHr為調流閥全開(kāi)，即y=1.0時(shí)的調流閥的水頭損失，其中下標r表示調流閥全開(kāi);q=Q/Qr
為無(wú)量綱閥門(mén)流量系數。
圖1為輸水工程示意圖。
圖1 輸水工程示意(高程單位：m)
參考圖1，管道上游水池與下游水庫的伯努利能量方程為
式中，z1為上游水池水面高程;z2為下游水庫水面高程;S為管道阻抗系數。上式右邊第三項表示線(xiàn)路水頭損失。
將式(2)代入得
式中，Δz=z1-z2。
由于閥門(mén)全開(kāi)時(shí) τ =1和Q=Qr，從式(4)可得
當假設流量Q隨閥門(mén)開(kāi)度y線(xiàn)性變化時(shí)，有
將式(5)和式(6)關(guān)系代入式(4)可得
整理得
式(7)就是理想水擊控制調流閥τ與y的關(guān)系。換句話(huà)說(shuō)，只要滿(mǎn)足式(7)條件，流量就隨閥門(mén)開(kāi)度線(xiàn)性變化。圖2示出了理想調流閥無(wú)量綱閥門(mén)流量系數S與閥門(mén)開(kāi)度y的關(guān)系曲線(xiàn)。顯然，理想調流閥特性曲線(xiàn)是下凹型。
圖2 理想調流閥特性曲線(xiàn)
由
可得
、流量Qr和調流閥標稱(chēng)直徑，則可由式(1)得到ΔHr，然后利用式(8)獲得理想水擊控制調流閥 隨y的變化規律，據此廠(chǎng)家可設計閥標稱(chēng)直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規律。
需要說(shuō)明，上面的分析是基于恒定流動(dòng)，沒(méi)有考慮管道水擊的影響。下面以一個(gè)工程實(shí)例分析水擊的影響。
2、理想調流閥水擊控制效果
圖3 引黃北干線(xiàn)倒虹線(xiàn)路管道高程
山西省引黃北干線(xiàn)倒虹線(xiàn)路如圖3所示，依靠重力輸水。倒虹進(jìn)口樁號為43755.64，管道中心高程為1242.80m。設置在線(xiàn)式多噴孔套筒式調流閥1，按2臺工作1臺備用考慮，單閥過(guò)流量按4.2m3/s設計，樁號為56520m，管道中心高程為1115.4m。倒虹出口處樁號為118 009.67，管道中心高程為1117.5m，設置球型閥2，后接水庫，水庫設計水位為1118.8m。線(xiàn)路全長(cháng)74.25km，采用內徑2.2m的PCCP輸水。
計算條件：倒虹吸管進(jìn)口水位1247.3m，出口水庫水位1118.8m;管道糙率n=0.012;調流閥采用線(xiàn)性關(guān)閉。
初始條件：在線(xiàn)調流閥1和球型閥2全開(kāi)，相對開(kāi)度y=1.0，流量8.4m3/s。研究表明，采用原來(lái)廠(chǎng)家提供的多噴孔套筒式調流閥，即使調流閥線(xiàn)性關(guān)閉時(shí)間為1500s，閥前水壓也高達149m水頭，見(jiàn)圖4，其中球型閥開(kāi)度保持不變。
圖4 原廠(chǎng)家調流閥關(guān)閉水擊過(guò)渡過(guò)程
當用理想控制調流閥代替原來(lái)的調流閥，將本工程參數Δz=128.5m、ΔHr=4.9m代入式(7)得
據此可繪出如圖5所示理想調流閥特性曲線(xiàn)。當理想調流閥線(xiàn)性關(guān)閉時(shí)間分別為200s、400s，則采用水擊特征線(xiàn)方法計算(楊開(kāi)林，2000)可得圖6、圖7所示水擊過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)，y1和q1分別是調流閥的相對開(kāi)度和流量。
圖5 理想水擊控制調流閥特性曲線(xiàn)
圖6 理想調流閥關(guān)閉過(guò)渡過(guò)程
從圖6和圖7可得下述結論：(1)受水擊壓力的作用，流量與閥門(mén)開(kāi)度近似成線(xiàn)性關(guān)系;(2)閥前水壓隨關(guān)閉時(shí)間的增加顯著(zhù)減小;(3)在同樣的閥前水壓條件下，采用理想調流閥可以顯著(zhù)縮短線(xiàn)性關(guān)閉時(shí)間。比較圖4和圖6，雖然理想調流閥線(xiàn)性關(guān)閉時(shí)間由原來(lái)廠(chǎng)家調流閥的1500s減少到200s，但是兩者閥前水壓幾乎相同。
3、適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計
綜上所述，理想調流閥改善管道水擊控制效果非常顯著(zhù)。同時(shí)需要指出的是，由于理想調流閥流量與開(kāi)度是線(xiàn)性正比關(guān)系，所以它也可以提高正常輸水流量控制的精度。
圖7 理想調流閥關(guān)閉過(guò)渡過(guò)程
在理論上，制造廠(chǎng)可以通過(guò)設計閥標稱(chēng)直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規律生產(chǎn)出理想調流閥，但是，在高水頭、大流量條件下，可能會(huì )大大增加調流閥閥體尺寸和生產(chǎn)成本。在這種情況下，可以采用折衷的辦法，生產(chǎn)實(shí)用的適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥。其原則是：無(wú)量綱閥門(mén)流量系數S與閥門(mén)開(kāi)度y特性曲線(xiàn)必須是下凹曲線(xiàn)或者折線(xiàn)，一般說(shuō)來(lái)，設計的S與y曲線(xiàn)越接近理想調流閥越好。
4、結語(yǔ)
對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒式調流閥特性是使流量隨開(kāi)度y線(xiàn)性變化，這時(shí)關(guān)閉閥門(mén)時(shí)的水壓與關(guān)閉時(shí)間成正比，在相同的線(xiàn)性關(guān)閉時(shí)間，調流閥引起的水擊壓力升高最小。
本文解析推導得到設計理想調流閥無(wú)量綱閥門(mén)流量系數S與閥門(mén)開(kāi)度y的計算公式，證明理想調流閥特性曲線(xiàn)是下凹形。理想調流閥不僅能夠顯著(zhù)提高管道水擊控制效果，而且可以提高正常輸水流量控制的精度。
制造廠(chǎng)可以通過(guò)設計閥標稱(chēng)直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規律生成理想調流閥，也可以采用折衷的辦法，生產(chǎn)實(shí)用的適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥。其原則是：無(wú)量綱閥門(mén)流量系數S與閥門(mén)開(kāi)度y特性曲線(xiàn)必須是下凹曲線(xiàn)或者折線(xiàn)，一般說(shuō)來(lái)，設計的S與y曲線(xiàn)越接近理想調流閥越好。
