錐型閥在無壓隧洞消能中的應(yīng)用

韓志遠(yuǎn)

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)110003）

錐型閥在無壓隧洞消能中的應(yīng)用

韓志遠(yuǎn)

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)110003）

當(dāng)采用無壓隧洞進(jìn)行跨流域調(diào)水輸水時(shí)，需要對(duì)水流進(jìn)行控制及消能。無壓隧洞的消能方式有洞外消能和洞內(nèi)消能。其中洞內(nèi)消能有錐形閥消能工等四種類型，本文通過遼寧省某重點(diǎn)輸水工程中，錐型消能閥在無壓隧洞內(nèi)消能的應(yīng)用，詳細(xì)論述了錐形閥的設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)中需注意的問題，最終得出錐形閥消能工具有顯著的優(yōu)點(diǎn)值得在水利建設(shè)過程中推廣應(yīng)用。

無壓輸水隧洞；錐型閥；洞內(nèi)消能

1 引言

當(dāng)采用無壓隧洞進(jìn)行跨流域調(diào)水時(shí)，當(dāng)在給水水庫(kù)考慮多級(jí)取水時(shí)，通常隧洞首部為有壓隧洞，隧洞內(nèi)部水流蘊(yùn)含極大的能量，這就對(duì)隧洞自身的結(jié)構(gòu)、可靠度等提出了非常高的要求。為了防止隧洞因此而發(fā)生破壞，需要在隧洞首部增加消能措施，這對(duì)于水隧洞安全和降低造價(jià)極為有利。洞內(nèi)消能與洞外消能相比，洞內(nèi)消能可大大減小隧洞內(nèi)部水流速度，避免洞內(nèi)高速水流帶來的不利影響。并可降低隧洞襯砌材料抗沖耐磨標(biāo)準(zhǔn)，從而降低工程造價(jià)。無壓隧洞洞內(nèi)消能一般有四種類型：孔板消能工、旋流式消能工、錐型閥消能工、無壓隧洞內(nèi)消力池消能工。

錐型閥消能工是在輸水隧洞中聯(lián)接一段管道，設(shè)置一個(gè)錐型閥門，當(dāng)水流流過錐型閥時(shí)，通過錐型閥錐體的導(dǎo)向作用，使水流以輻射狀擴(kuò)散。水流在流向錐型閥下游時(shí)，以大角度擴(kuò)散，通過錐閥與水流間的大面積摩擦，達(dá)到消能效果。

錐型閥消能工的主要組成為：芯軸、套筒、固定錐、導(dǎo)流罩、密封和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。固定錐與進(jìn)水管間通過芯軸上呈放射狀的4～6片筋板支撐連接，進(jìn)水管斷面與椎體之間保持一定間距，套管套在筋板和主管外部，通過其前后移動(dòng)改變對(duì)無管壁開放段的封閉長(zhǎng)度，起到調(diào)節(jié)閥門開度的作用。

錐型閥消能工和傳統(tǒng)消能工相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）錐型閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠與進(jìn)水洞緊密結(jié)合，從而起到優(yōu)化樞紐布置，降低工程投資。（2）能夠靈活控制流量，在進(jìn)行洞內(nèi)消能的同時(shí)，還可調(diào)節(jié)控制洞內(nèi)流量，在引水工程中廣泛應(yīng)用。（3）經(jīng)過錐型閥消能后，下泄水流能量小，與下游能平穩(wěn)銜接。因此在輸水隧洞中設(shè)置錐型閥消能工消能，具有重要的意義。

2 工程概況

遼寧省某重點(diǎn)輸水工程由進(jìn)水口、有壓隧洞、錐形消能閥、無壓隧洞等部分組成。給水水庫(kù)正常蓄水位301.14m，校核洪水位311.94m，下游正常水位260.94m，取水口后接有2條洞徑為4.5m圓形壓力隧洞。每條壓力隧洞在末端分岔，每條壓力洞分別與廠房?jī)?nèi)水輪發(fā)電機(jī)組和錐形消能閥相接，錐型閥的作用為當(dāng)電站機(jī)組進(jìn)行檢修時(shí)，水流可以通過錐型閥進(jìn)入下游，進(jìn)行消能，提高了隧洞的供水保證率。水輪發(fā)電機(jī)組和錐形消能閥設(shè)備通過尾水洞與下游主洞相接。該輸水工程的樞紐布置平面圖如圖1所示。

錐形消能閥與發(fā)電機(jī)組并列布置在地下廠房中。錐型閥的直徑為2.4m，錐型閥安裝高程均為254.00m，出口為淹沒式出流，淹沒深度為12.34m。錐型閥出口接壓力尾水洞長(zhǎng)60m，在距錐型閥出口23m處，設(shè)有尾水檢修平板閘門。尾水洞斷面尺寸為5.0m×5.0m（寬×高）。錐型閥細(xì)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 樞紐布置平面圖

圖2 錐型閥細(xì)部結(jié)構(gòu)圖

3 錐型閥的設(shè)計(jì)

3.1 閥門的消能和抗氣蝕的能力

目前錐型消能閥一般在出口加裝速度導(dǎo)流器和能量導(dǎo)流裝置，保證消能閥具有更好的消能效果和抗氣蝕能力。錐型閥后設(shè)能量導(dǎo)流器，使出口高速水流與導(dǎo)流片碰撞，消減速度水頭和能量。未加裝能量導(dǎo)流器的錐型閥，消能率為60%，加裝能量導(dǎo)流器的錐型閥消能率達(dá)90%。固定錐型閥后端為錐型結(jié)構(gòu)，使氣蝕發(fā)生的部位不在噴管的管壁上，通過設(shè)在閥門后端的速度和能量導(dǎo)流器，使氣蝕區(qū)域與閥體的金屬壁分開，氣泡在閥體的內(nèi)部破裂，而不在閥體內(nèi)金屬壁破裂。同時(shí)，能量導(dǎo)流器可以避免閥門后端管道受氣蝕的破壞。即使在出口壓力為負(fù)壓時(shí)，仍能保證良好的抗氣蝕特性。大壓差消能運(yùn)行時(shí)，允許的噴管流速可達(dá)16m/s，抗氣蝕指數(shù)可達(dá)0.15，具有較好的抗氣蝕性能。在線式調(diào)流錐型閥，允許的前后最大壓差為200m。因此完全可以采用錐型閥進(jìn)行消能。

3.2 閥門的過流能力

消能型固定錐型閥最大開度下的流阻系數(shù)為1.35～2，本工程通過模型試驗(yàn)的方法，確定錐型閥的直徑為2.4m。

3.3 閥門的可靠性

固定錐型閥閥門上設(shè)有人孔，不用拆卸閥體，即可通過人孔進(jìn)入閥體進(jìn)行維修。固定錐型閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在閥體外部，維修方便。固定錐型閥的前端密封采用金屬硬密封，閥門的壽命期內(nèi)不需更換。

3.4 錐形閥消能率的驗(yàn)證

本工程通過模型試驗(yàn)來研究消能率的大小，消能率采用能量守恒定律，消能率數(shù)值大小采用錐形閥前后斷面的能量差值與初始能量的比值來衡量。公式如式1～式3所示：

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：1672-2469（2015）05-0090-02

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.028

韓志遠(yuǎn)（1969年—），男，高級(jí)工程師。