水工試驗(yàn)用固定錐型閥模型的研制與應(yīng)用

李新

（河南省直屬機(jī)關(guān)老干部休養(yǎng)所，鄭州 450000）

1 引言

固定錐型閥（簡稱錐型閥）在水利工程應(yīng)用的過程中，具有適應(yīng)大流量和高水頭的優(yōu)勢，同時(shí)還具有在承壓承流范圍內(nèi)無振動(dòng)以及無氣蝕特點(diǎn)的排氣閥門，因而是水輪發(fā)電機(jī)阻旁通閥的自有排放閥[1]。錐型閥主要被應(yīng)用于水利工程中的泄流消能方面，近年來已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我國各個(gè)水利工程中。然而，從整體上來看，我國對于錐型閥的應(yīng)用還比較少。目前，我國水利工程中的閘門形式比較多樣，主要有弧形閘門、平板閘門、錐型閥以及蝶閥等[2]。在選取底孔工作閘類型的過程中，由于一些不合理因素的存在，會(huì)在很大的程度上影響設(shè)計(jì)中功能的實(shí)現(xiàn)[3]。錐型閥作為超過水頭大口徑泄水設(shè)備，其運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性備受關(guān)注和重視。因此，本研究從比較錐型閥選型，模型試驗(yàn)以及應(yīng)用試驗(yàn)等方面出發(fā)，對排放閥的空蝕、振動(dòng)、流量系數(shù)以及補(bǔ)氣等問題展開研究和分析。

2 固定錐型閥模型試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)的內(nèi)容

在探究錐型閥排放系數(shù)，以及系數(shù)與振動(dòng)、空蝕等問題的過程中，選取的噴管直徑是288mm，在這一模型上展開研究和分析。在展開試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是分析導(dǎo)流罩和直管段這兩種比較常見的錐型閥出口配置為對象，對比分析其對閥門排放性的影響；另一方面是分析補(bǔ)氣在閥門穩(wěn)定和振動(dòng)方面的作用，這主要是由于高速水流的情況下可能會(huì)導(dǎo)致氣蝕問題的發(fā)生，因而需要對這一方面展開試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)原理

本研究在衡量閥門流通能力時(shí)，選取的指標(biāo)是排放系數(shù)，其是常用的且重要的一個(gè)指標(biāo)。排放系數(shù)越大表示流體在流經(jīng)閥門時(shí)承受的壓力越小。也就是說，排放系數(shù)越大表示排放性能越好。而當(dāng)閥門的排放系數(shù)越小時(shí)，其表示的是流體在流經(jīng)閥門的過程中，壓力損失越大，閥門的排放性能也就越差。排放系數(shù)公式的計(jì)算公式，如公式（1）所示。在公式（1）中，Cd表示閥門的排放系數(shù)，v表示的是流體流經(jīng)閥門時(shí)的平均速度，單位為m/s。g表示的是重力加速度，單位為m/s2。ΔH表示的是閥門前靜水頭和動(dòng)水頭的和，單位為m。其中，H的計(jì)算公式，如公式（2）所示。在公式（2）中，閥門流量用Q表示，單位為m3/s。閥門進(jìn)口流速用vi表示，出口流速用v0表示，單位均為m/s。閥門進(jìn)口斷面的面積采用Ai表示，出口斷面的面積采用A0表示，單位均為m2。閥門進(jìn)口壓力采用pi表示，出口壓力采用p0表示，單位均為Pa。閥門進(jìn)口中心高程采用zi表示，出口中心高程采用z0表示，單位均為m。

2.3 測試的系統(tǒng)

在測量閥門流量時(shí)，采用電磁流量。在測量閥門壓力時(shí)，采用壓力傳感器。閥體震動(dòng)的測量主要是通過加速傳感器進(jìn)行測量和獲得的。加速傳感器主要位于閥體的軸向、垂直及徑向水平，同時(shí)對閥體振動(dòng)進(jìn)行測量。在對壓力展開測量的過程中，對進(jìn)口和出口的位置應(yīng)適當(dāng)，不應(yīng)過近，也不應(yīng)過遠(yuǎn)，否則均會(huì)影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通常情況下，水流流動(dòng)是不會(huì)受到流道、環(huán)境以及閥門運(yùn)行等因素的干擾的，因而測試值可以代表真實(shí)流態(tài)。由于錐型閥壓力管道主要埋在水工主體內(nèi)，因而水流在流經(jīng)出口側(cè)導(dǎo)流罩或者直流段后，其會(huì)直接排入大氣中?？紤]這一因素，在對進(jìn)出口壓力展開測量的過程中，選取的測量斷面是閥體前和閥體后1倍的直徑處。本研究的測試系統(tǒng)所選取的測量內(nèi)容、傳感器型號(hào)及精度等。

3 固定錐型閥模型試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)的過程中，主要是在70m水頭下展開的，并且主要在三種工況下進(jìn)行試驗(yàn)。第一種工況為配直管段，但并不進(jìn)行補(bǔ)氣；第二種工況為配直管段且進(jìn)行補(bǔ)氣；第三種工況是配導(dǎo)流罩，但不進(jìn)行補(bǔ)氣。在對閥門開度進(jìn)行控制的過程中，開度主要有10%階梯上升至100%。與此同時(shí)，對閥門流量、壓力以及振動(dòng)等信號(hào)進(jìn)行采集。最后繪制關(guān)系曲線，包括閥門開度與排放系數(shù)、閥體振動(dòng)等的關(guān)系圖。

3.1 兩種配置的對比結(jié)果

圖1 排放系數(shù)與閥門開度關(guān)系曲線圖

通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的測試和計(jì)算結(jié)果，對第一種工況和第三種工況的閥門開度與排放系數(shù)的關(guān)系曲線進(jìn)行了繪制。通過圖1得出以下三個(gè)結(jié)論：第一，閥門系數(shù)越大，閥門的開度也就越大，兩者之間的關(guān)系為正相關(guān)關(guān)系。但當(dāng)閥門開度達(dá)到80%以上時(shí)，系數(shù)是趨于穩(wěn)定的。第二，閥門開度未達(dá)到30%時(shí)，在排放系數(shù)方面，導(dǎo)流罩是低于直管段的。第三，閥門開度在40%至80%之間時(shí)，在排放系數(shù)方面，導(dǎo)流罩高于直管段。

3.2 補(bǔ)氣對振動(dòng)的影響

結(jié)合表1和圖1的結(jié)果，可主要得出以下結(jié)論：第一，當(dāng)閥門開度在30%以下時(shí)，補(bǔ)氣工況下，閥體垂直、軸向上的振動(dòng)均大于沒有補(bǔ)氣的工況。在補(bǔ)氣工況下，徑向振動(dòng)小于沒有補(bǔ)氣的工況。第二，當(dāng)閥門開度在40%以上時(shí)，補(bǔ)氣工況下的閥體振動(dòng)均低于沒有進(jìn)行補(bǔ)氣的工況。也就是說，閥門開度較大時(shí)，為降低閥體振動(dòng)，并促使其穩(wěn)定，適當(dāng)補(bǔ)氣是一種較為有效的方式。與此同時(shí)，上述試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步說明，在改善閥門內(nèi)部流體壓力分布方面，補(bǔ)氣也是一種較好的方式。

表1 閥門開度與閥體振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表（m/s2）

4 固定錐型閥模型的應(yīng)用

通過上述模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，配置導(dǎo)流罩的錐型閥時(shí)，其在排放流水的過程中，優(yōu)勢在于排放系數(shù)高且會(huì)起到更好的擴(kuò)散流水的作用。與此同時(shí)，對下游的沖刷影響也比較小，因而在閥門運(yùn)行的穩(wěn)定性方面更具優(yōu)勢。除此之外，也會(huì)在一定程度上增加空氣和水流的摩擦力，進(jìn)而在消能效果方面，其也占有較好的優(yōu)勢。某水庫補(bǔ)水工程中，采用的就是配置導(dǎo)流罩的錐型閥，分別是進(jìn)口管、驅(qū)動(dòng)油缸、噴管、滑套筒以及導(dǎo)流罩。

為探究錐型閥的排放特性，重要的一環(huán)是進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。現(xiàn)場試驗(yàn)的原理同上。但現(xiàn)場試驗(yàn)也與理論研究也存在一定的區(qū)別，即在模型試驗(yàn)和測試系統(tǒng)構(gòu)成方面有一定的差異，其差異主要在于現(xiàn)場試驗(yàn)的過程中，由于閥門出口側(cè)沒有辦法布置壓力傳感器，因而在計(jì)算的過程中，出口側(cè)壓力采用的是大氣壓。在試驗(yàn)的過程中，水頭高為123m，工況主要是在補(bǔ)氣和未補(bǔ)氣這兩種工況下展開試驗(yàn)。在分析的過程中，主要是通過繪制關(guān)系曲線示意圖的方式進(jìn)行對比分析。

4.1 補(bǔ)氣效果

導(dǎo)流罩的錐型閥數(shù)據(jù)分析，可主要得出以下結(jié)論：第一，閥門開度和排放系數(shù)關(guān)系密切。為提高泄水的效率，應(yīng)在閥門大開度運(yùn)行時(shí)進(jìn)行控制。第二，補(bǔ)氣對于排放系數(shù)影響不大。在開度達(dá)到50%以上時(shí)，且在補(bǔ)氣的工況下，系數(shù)會(huì)逐漸增大。第三，閥門開度在40%至50%之間時(shí)，相比于原型排放系數(shù)而言，模型的系數(shù)更高。

4.2 振動(dòng)及穩(wěn)定性分析

結(jié)合圖2中的數(shù)據(jù)結(jié)果，得出以下結(jié)論：第一，閥體振動(dòng)隨著閥門開度的增加，變化趨勢為N字形，原型與模型的變化趨勢是一致的。第二，補(bǔ)氣能夠改善閥體的振動(dòng)水平，尤其是對原型。總之，為促使錐形閥的高效穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)氣措施。

5 結(jié)論

圖2 閥門開度與閥體垂直振動(dòng)的關(guān)系曲線示意圖

本研究從固定錐形閥在水利工程中的應(yīng)用著手，并以某水庫補(bǔ)水工程作為現(xiàn)場試驗(yàn)的對象，對比模型試驗(yàn)和現(xiàn)場原型試驗(yàn)的效果，以探究固定錐形閥在運(yùn)行的過程中空蝕、振動(dòng)以及穩(wěn)定問題。通過探究主要得出以下結(jié)論：第一，在固定錐形閥應(yīng)用的過程中，其在大開度下排放系數(shù)較高，性能更好。第二，在經(jīng)濟(jì)條件等允許的情況下，應(yīng)盡量配置導(dǎo)流罩，以提高消能的效果，并促進(jìn)其穩(wěn)定運(yùn)行。最后，在降低閥體振動(dòng)，抑制氣蝕問題等方面，適當(dāng)補(bǔ)氣是有效手段，應(yīng)予以重視。