水工試驗用固定錐型閥模型的研制與應(yīng)用

李新

【摘 要】固定錐型閥應(yīng)用于水利工程中，其優(yōu)勢在于適應(yīng)高水頭和大流量，因而備受關(guān)注和重視。因此，論文重點介紹了該錐型閥的選型設(shè)計、模型試驗及其應(yīng)用，并重點對錐型閥排放閥的排放系數(shù)、空蝕、補氣以及振動等問題展開探討。

【Abstract】The fixed cone valve is used in hydraulic engineering， the advantages of which lie in adapting to high water head and large discharge， so it has attracted much attention. Therefore， the paper mainly introduces the selection design， model test and application of the conical valve. And the discharging coefficient， cavitation， air supply and vibration of the discharge valve of conical valve are discussed in detail.

【關(guān)鍵詞】水利工程;固定錐型閥;超大直徑;補水工程

【Keywords】 hydraulic engineering; fixed cone valve; super large diameter; water supply engineering

【中圖分類號】TK73.02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）05-0163-03

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，同時還具有在承壓承流范圍內(nèi)無振動以及無氣蝕特點的排氣閥門，因而是水輪發(fā)電機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，會在很大的程度上影響設(shè)計中功能的實現(xiàn)[3]。錐型閥作為超過水頭大口徑泄水設(shè)備，其運行的安全性和穩(wěn)定性備受關(guān)注和重視。因此，本研究從比較錐型閥選型，模型試驗以及應(yīng)用試驗等方面出發(fā)，對排放閥的空蝕、振動、流量系數(shù)以及補氣等問題展開研究和分析。

2 固定錐型閥模型試驗分析

2.1 試驗的內(nèi)容

在探究錐型閥排放系數(shù)，以及系數(shù)與振動、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。在展開試驗時，內(nèi)容主要包括兩個方面的內(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;另一方面是分析補氣在閥門穩(wěn)定和振動方面的作用，這主要是由于高速水流的情況下可能會導(dǎo)致氣蝕問題的發(fā)生，因而需要對這一方面展開試驗。

2.2 試驗原理

2.3 測試的系統(tǒng)

在測量閥門流量時，采用電磁流量。在測量閥門壓力時，采用壓力傳感器。閥體震動的測量主要是通過加速傳感器進行測量和獲得的。加速傳感器主要位于閥體的軸向、垂直及徑向水平，同時對閥體振動進行測量。在對壓力展開測量的過程中，對進口和出口的位置應(yīng)適當(dāng)，不應(yīng)過近，也不應(yīng)過遠，否則均會影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通常情況下，水流流動是不會受到流道、環(huán)境以及閥門運行等因素的干擾的，因而測試值可以代表真實流態(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，其會直接排入大氣中?？紤]這一因素，在對進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、傳感器型號及精度等。

3 固定錐型閥模型試驗結(jié)果

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

3.1 兩種配置的對比結(jié)果

通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的測試和計算結(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)系曲線進行了繪制。通過圖1得出以下三個結(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)閥門開度達到80%以上時，系數(shù)是趨于穩(wěn)定的。第二，閥門開度未達到30%時，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，在排放系數(shù)方面，導(dǎo)流罩高于直管段。

3.2 補氣對振動的影響

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，補氣工況下，閥體垂直、軸向上的振動均大于沒有補氣的工況。在補氣工況下，徑向振動小于沒有補氣的工況。第二，當(dāng)閥門開度在40%以上時，補氣工況下的閥體振動均低于沒有進行補氣的工況。也就是說，閥門開度較大時，為降低閥體振動，并促使其穩(wěn)定，適當(dāng)補氣是一種較為有效的方式。與此同時，上述試驗結(jié)果也進一步說明，在改善閥門內(nèi)部流體壓力分布方面，補氣也是一種較好的方式。

4 固定錐型閥模型的應(yīng)用

通過上述模型試驗結(jié)果顯示，配置導(dǎo)流罩的錐型閥時，其在排放流水的過程中，優(yōu)勢在于排放系數(shù)高且會起到更好的擴散流水的作用。與此同時，對下游的沖刷影響也比較小，因而在閥門運行的穩(wěn)定性方面更具優(yōu)勢。除此之外，也會在一定程度上增加空氣和水流的摩擦力，進而在消能效果方面，其也占有較好的優(yōu)勢。某水庫補水工程中，采用的就是配置導(dǎo)流罩的錐型閥，分別是進口管、驅(qū)動油缸、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)是進行現(xiàn)場試驗。現(xiàn)場試驗的原理同上。但現(xiàn)場試驗也與理論研究也存在一定的區(qū)別，即在模型試驗和測試系統(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，因而在計算的過程中，出口側(cè)壓力采用的是大氣壓。在試驗的過程中，水頭高為123m，工況主要是在補氣和未補氣這兩種工況下展開試驗。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行對比分析。

4.1 補氣效果

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)在閥門大開度運行時進行控制。第二，補氣對于排放系數(shù)影響不大。在開度達到50%以上時，且在補氣的工況下，系數(shù)會逐漸增大。第三，閥門開度在40%至50%之間時，相比于原型排放系數(shù)而言，模型的系數(shù)更高。

4.2 振動及穩(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，補氣能夠改善閥體的振動水平，尤其是對原型。總之，為促使錐形閥的高效穩(wěn)定運行，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)难a氣措施。

5 結(jié)論

本研究從固定錐形閥在水利工程中的應(yīng)用著手，并以某水庫補水工程作為現(xiàn)場試驗的對象，對比模型試驗和現(xiàn)場原型試驗的效果，以探究固定錐形閥在運行的過程中空蝕、振動以及穩(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，并促進其穩(wěn)定運行。最后，在降低閥體振動，抑制氣蝕問題等方面，適當(dāng)補氣是有效手段，應(yīng)予以重視。

【參考文獻】

【1】童成彪，周志雄，閻秋霞.固定錐形閥的補氣及排放系數(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2018，30（08）：377-386.

【2】王鋼.新型固定錐形閥的設(shè)計與分析[D].武漢：武漢輕工大學(xué)，2017.

【3】何坤，陳雄，卜慶偉.錐閥固定式固體火箭沖壓發(fā)動機燃氣流量調(diào)節(jié)裝置[J].2010，14（03）：514-515.