固定式錐形閥水力特性試驗研究

王 蛟，胡亞安，嚴秀俊，傅陸志丹

(1.重慶交通大學重慶西南水運工程科學研究所，重慶 400016；2.重慶交通大學內河航道整治技術交通行業(yè)重點實驗室，重慶 400016；3.重慶交通大學重慶西科水運工程咨詢中心，重慶 400016；4.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

0 引 言

控制閥門是水力式升船機所特有的核心部件，類似于傳統(tǒng)電力驅動式升船機的電機，直接關系到升船機的運行速度與安全。2016年底，世界上第一座水力式升船機——景洪升船機成功試通航，標志著該類升船機的實踐成功。但作為最新型的一類升船機，其基礎應用理論中還有許多問題值得深入研究和優(yōu)化[1]。景洪工程建設初期，將精確控制流量作為控制閥門選型的第一要素，最終確定采用德國VAG公司生產的活塞式調流閥(后文簡稱活塞閥)作為控制閥門[2]。后期原型觀測成果表明[3]，活塞閥控流精確，可以滿足景洪工程的運行要求，但也存在一些不足，不利于水力式升船機的推廣應用。該閥型在小開度下流阻較大，泄流能力偏低，限制了升船機的運行速度；大開度下空化明顯，噪聲尖銳，振動強烈，不利于閥后管道安全。未來水力式升船機控制閥門的運行水頭差更高、提升重量更大，活塞閥的以上特點將被進一步放大?？梢姡钊y將難以滿足未來水力式升船機的發(fā)展需要，深化研究控制閥門的選型問題十分必要。

作者基于水力式升船機控制閥門選型問題，曾對典型工業(yè)閥門的水力特性及研究進展進行了對比綜述[4]，發(fā)現(xiàn)固定式錐形閥(后文簡稱錐形閥)也較為適應水力式升船機的運行特性。錐形閥的相關研究主要集中在優(yōu)化閥體內部結構，達到抑制空化、降低振動等目的。楊和梅等[5]對錐閥的閥口結構與空化的關系進行了研究，數(shù)值模擬結果表明，倒角長度的改變對閥口間隙以及閥芯錐面與柱面相接的地方的負壓會產生比較大的影響。潘廣香等[6]對錐閥內部流場進行仿真分析，對錐閥閥口及閥芯都進行了優(yōu)化，結果表明，優(yōu)化后的錐閥可抑制空化，整體性能優(yōu)于傳統(tǒng)結構。孫芃等[7]采用CAE軟件ANSYS對錐閥流場進行了數(shù)值模擬，優(yōu)化了閥口設計，結果顯示，改進后的結構有利于抑制空化，可減小振動。秦武等[8]利用CFD數(shù)值模擬方法對錐形閥大開度下的流場結構進行了研究，在環(huán)形孔套后部增加了錐形孔套部件以改善其內部流場情況，降低了最高壓力、最大流速，減小了流動死區(qū)及渦流區(qū)對過流能力的影響。賀杰等[9]利用CFD仿真計算了背壓對錐形閥空化特性的影響，研究結果表明，錐形閥閥腔內節(jié)流口后部區(qū)域，流體流速增高、壓力降低，是空化發(fā)生的主要區(qū)域?？梢?，經過防空化設計的錐形閥適用于管中調流調壓，但對其閥后流態(tài)及管壁壓力特性等的相關研究較少。為全面掌握固定式錐形閥的水力特性，本文通過物理模型試驗對固定式錐形閥進行了全面、深入的研究分析。

1 物理模型設計

本研究中錐形閥通徑DN=150 mm，帶導流罩。試驗在南京水利科學研究院多功能空化空蝕試驗廳中進行。該試驗廳實現(xiàn)了水泵控制、閥門控制、系統(tǒng)壓力、流量監(jiān)控的自動化。供水系統(tǒng)工作壓力最高可達1.5 MPa，最大流量為0.15 m3/s，可為試驗閥門提供近乎工程原型的試驗條件。根據(jù)試驗要求，試驗模型主要由閥前整流段、試驗閥門段、玻璃管道和閥后穩(wěn)壓段組成，模型設計見圖1，試驗閥門段照片見圖2。

圖1 試驗模型設計

圖2 試驗閥門段照片

2 試驗成果分析

2.1 閥門流量特性

在通航建筑物輸水系統(tǒng)中，閥門流量系數(shù)的一般表達式如式1。流量系數(shù)是閥門實際過流量與理想過流量的比值。由于存在局部阻力損失與沿程阻力損失，實際過流量總是小于理想過流量。流量系數(shù)表示為

(1)

式中，μ為流量系數(shù)；A為閥門過流面積；Q為閥門過流流量；ρ為流體密度；P1、P2分別為閥前、閥后參考斷面穩(wěn)定壓力。

2.1.1流量系數(shù)隨開度的變化

錐形閥套筒行程、流量系數(shù)隨閥門開度的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，錐形閥流量系數(shù)隨開度(n)增大而增加，最大流量系數(shù)約為0.678。n=0.1～0.7時，錐形閥流量系數(shù)增幅隨開度增大基本一致，線性度較好；n=0.8～1.0時，流量系數(shù)增幅隨開度增大在變緩，在開度為0.8時存在增幅由穩(wěn)定轉減的“拐點”。

圖3 錐形閥各開度下套筒行程、流量系數(shù)關系

從閥門結構角度分析，錐形閥泄流能力主要受以下因素影響：

(1)閥門進口面積。閥門進口面積(Ai)的大小決定了閥門的最大過流量。閥門進口面積計算公式為

(2)

式中，Ri為錐形閥進口直徑。本文試驗錐形閥Ai=17 671 mm2。

(2)套筒過流面積。錐形閥通過控制套筒行程(L)來調節(jié)閥門過流能力。套筒過流面積(A)<閥門進口面積(Ai)時，閥門過流能力隨套筒過流面積的增大而增加；套筒過流面積(A)>閥門進口面積(Ai)時，閥門過流能力將不再增加。套筒過流面為圓臺錐面，其計算公式為

A=πRTL-πrl

(3)

式中，RT為圓臺下底面直徑；L為圓臺下底面母線長度；r為套筒具體行程下圓臺上底面直徑；l為套筒具體行程下圓臺上底面母線長度。

基于公式(2)、(3)可計算錐形閥過流面積隨套筒開度的變化規(guī)律，結果如表1所示。由表1可知，當開度為0.9時，A>Ai；n=0.8～0.9時，閥門過流面積已達極限，繼續(xù)增大套筒行程，閥門過流能力不會再提升。因此，n=0.8時，流量系數(shù)隨開度的變化曲線將出現(xiàn)“拐點”。

表1 錐形閥各開度套筒行程特性

2.1.2流量系數(shù)隨背壓、壓差的變化

典型開度下(n=0.4)，流量系數(shù)隨壓差的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，當閥門未發(fā)生空化時(流量系數(shù)未突增前)，流量系數(shù)的變幅較?。婚y門空化后，流量系數(shù)先突增，后迅速持續(xù)減小。具體體現(xiàn)為，同一開度下，固定背壓，逐漸增大上游壓力，在未發(fā)生空化前，流量系數(shù)基本維持穩(wěn)定。在臨界空化壓差附近，流量系數(shù)會小幅突增，后隨壓差的進一步增大而開始明顯下降。對于該現(xiàn)象的一種解釋是，在發(fā)生可監(jiān)測到的空化現(xiàn)象前，于空化初生部位表面會形成細微氣泡，這些氣泡會在結構物表面與過流水體間形成一層水氣膜，將水流與結構物表面分離開來，近似于降低了結構物表面的糙率，從而小幅提高了過流能力。隨背壓的增大，流量系數(shù)隨壓差變化的總體規(guī)律類似，但在臨界空化狀態(tài)下，閥門的流量系數(shù)峰值略有下降。

圖4 流量系數(shù)隨壓差的變化規(guī)律(n=0.4)

2.2 閥門空化特性

2.2.1流場結構及空化現(xiàn)象

典型開度下(n=0.3)，錐形閥后的空化現(xiàn)象如圖5所示，該類閥門的空化類型為霧狀空化。由圖可知，錐形閥出流較為均勻，流場結構簡單，近似于等截面穩(wěn)定出流，霧狀空化泡分布均勻、細碎微小。

圖5 閥門典型開度空化示意

2.2.2臨界空化數(shù)隨開度、背壓的變化

本文空化數(shù)定義如式4。以σi表征水流處于臨界空化狀態(tài)，σ>σi時，表明閥門段無空化；σ≤σi時，閥門段存在空化。σi越小，說明閥門空化初生時閥后作用水頭越小，即閥門無空化的工作水頭差越大，閥門的防空化性能越好。

(4)

式中，σ為空化數(shù)；Patm、Psv分別為當?shù)卮髿鈮杭八娘柡驼羝麎?；v為參考斷面平均流速。

空化現(xiàn)象對閥門最直接的影響之一就是降低閥門的泄流能力，錐形閥典型開度(開度為0.4時)流量系數(shù)與相對空化數(shù)的關系如圖6所示。σ/σi=1，即是臨界空化狀態(tài)。由圖可知，當σ/σi>1時，流量系數(shù)基本維持穩(wěn)定；當σ/σi<1時，流量系數(shù)隨相對空化數(shù)的減小而逐漸下降。當相對空化數(shù)為0.5時，活塞閥流量系數(shù)降低約10%，錐形閥流量系數(shù)降低約5%。

圖6 錐形閥流量系數(shù)與相對空化數(shù)關系(n=0.4)

2.3 閥后管壁壓力特性

典型開度下(n=0.3)，錐形閥后管壁沿程壓力特性隨相對空化數(shù)的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可知，錐形閥出流較為均勻，流場結構較簡單，閥口附近不存在明顯的低壓區(qū)，閥后沿程時均壓力(Pav)較穩(wěn)定，變幅很小。隨相對空化數(shù)的減小、壓差增大，2倍閥門通徑附近時均壓力略有增大，水流對管壁的沖擊稍有增強。對比壓力均方根值(Prms)可知，錐形閥閥口附近壓力均方根值最大，但沿水流方向迅速下降，在2倍閥門通徑附近即降至穩(wěn)定值，而后基本保持不變。不同相對空化數(shù)下，壓力均方根值沿程分布規(guī)律不變，僅閥口附近有所增大。

圖7 錐形閥典型開度閥后管壁壓力特性(n=0.3)

3 結 語

(1)錐形閥直接控制套筒來啟閉閥門，流量系數(shù)隨開度變化的線性度較好，過流能力較強，閥門全開時流量系數(shù)達到0.678(帶導流罩)。閥門未空化時，流量系數(shù)基本保持不變，閥門空化后，流量系數(shù)會先小幅突增，再隨空化程度的增強而迅速下降。

(2)錐形閥的空化類型為霧狀空化。由于導流罩的整流作用，錐形閥出流均勻，空化泡細碎微小。在臨界空化壓差附近，流量系數(shù)會小幅突增，后隨壓差的進一步增大而開始明顯下降。

(3)基于導流罩的整流消能作用，錐形閥近似等截面出流，閥后流態(tài)簡單穩(wěn)定，管壁時均壓力沿程分布變化較小、壓力脈動較弱。

綜上所述，錐形閥泄流能力較強，霧狀空化較易抑制，閥后流態(tài)簡單穩(wěn)定，對管壁的直接沖擊較小，較為適合水力式升船機的發(fā)展需要，但其抗空化性能略差。在高壓差、大流量工況下，閥門空化難以避免，因此必須輔以可靠的閥門防空化技術，才能確保水力式升船機控制閥門及其閥后管道安全。