水工試驗用固定錐型閥模型的研制與應用

李新

（河南省直屬機關老干部休養所，鄭州 450000）

1 引言

固定錐型閥（簡稱錐型閥）在水利工程應用的過程中，具有適應大流量和高水頭的優勢，同時還具有在承壓承流范圍內無振動以及無氣蝕特點的排氣閥門，因而是水輪發電機阻旁通閥的自有排放閥[1]。錐型閥主要被應用于水利工程中的泄流消能方面，近年來已經被廣泛應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計中功能的實現[3]。錐型閥作為超過水頭大口徑泄水設備，其運行的安全性和穩定性備受關注和重視。因此，本研究從比較錐型閥選型，模型試驗以及應用試驗等方面出發，對排放閥的空蝕、振動、流量系數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 試驗的內容

在探究錐型閥排放系數，以及系數與振動、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，內容主要包括兩個方面的內容，一方面是分析導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致氣蝕問題的發生，因而需要對這一方面展開試驗。

2.2 試驗原理

本研究在衡量閥門流通能力時，選取的指標是排放系數，其是常用的且重要的一個指標。排放系數越大表示流體在流經閥門時承受的壓力越小。也就是說，排放系數越大表示排放性能越好。而當閥門的排放系數越小時，其表示的是流體在流經閥門的過程中，壓力損失越大，閥門的排放性能也就越差。排放系數公式的計算公式，如公式（1）所示。在公式（1）中，Cd表示閥門的排放系數，v表示的是流體流經閥門時的平均速度，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水頭的和，單位為m。其中，H的計算公式，如公式（2）所示。在公式（2）中，閥門流量用Q表示，單位為m3/s。閥門進口流速用vi表示，出口流速用v0表示，單位均為m/s。閥門進口斷面的面積采用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

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適當，不應過近，也不應過遠，否則均會影響測量數據的準確性。通常情況下，水流流動是不會受到流道、環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。由于錐型閥壓力管道主要埋在水工主體內，因而水流在流經出口側導流罩或者直流段后，其會直接排入大氣中。考慮這一因素，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。本研究的測試系統所選取的測量內容、傳感器型號及精度等。

3 固定錐型閥模型試驗結果

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。最后繪制關系曲線，包括閥門開度與排放系數、閥體振動等的關系圖。

3.1 兩種配置的對比結果

圖1 排放系數與閥門開度關系曲線圖

通過對相關數據的測試和計算結果，對第一種工況和第三種工況的閥門開度與排放系數的關系曲線進行了繪制。通過圖1得出以下三個結論：第一，閥門系數越大，閥門的開度也就越大，兩者之間的關系為正相關關系。但當閥門開度達到80%以上時，系數是趨于穩定的。第二，閥門開度未達到30%時，在排放系數方面，導流罩是低于直管段的。第三，閥門開度在40%至80%之間時，在排放系數方面，導流罩高于直管段。

3.2 補氣對振動的影響

結合表1和圖1的結果，可主要得出以下結論：第一，當閥門開度在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，并促使其穩定，適當補氣是一種較為有效的方式。與此同時，上述試驗結果也進一步說明，在改善閥門內部流體壓力分布方面，補氣也是一種較好的方式。

表1 閥門開度與閥體振動數據統計表（m/s2）

4 固定錐型閥模型的應用

通過上述模型試驗結果顯示，配置導流罩的錐型閥時，其在排放流水的過程中，優勢在于排放系數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定性方面更具優勢。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，其也占有較好的優勢。某水庫補水工程中，采用的就是配置導流罩的錐型閥，分別是進口管、驅動油缸、噴管、滑套筒以及導流罩。

為探究錐型閥的排放特性，重要的一環是進行現場試驗。現場試驗的原理同上。但現場試驗也與理論研究也存在一定的區別，即在模型試驗和測試系統構成方面有一定的差異，其差異主要在于現場試驗的過程中，由于閥門出口側沒有辦法布置壓力傳感器，因而在計算的過程中，出口側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，主要是通過繪制關系曲線示意圖的方式進行對比分析。

4.1 補氣效果

導流罩的錐型閥數據分析，可主要得出以下結論：第一，閥門開度和排放系數關系密切。為提高泄水的效率，應在閥門大開度運行時進行控制。第二，補氣對于排放系數影響不大。在開度達到50%以上時，且在補氣的工況下，系數會逐漸增大。第三，閥門開度在40%至50%之間時，相比于原型排放系數而言，模型的系數更高。

4.2 振動及穩定性分析

結合圖2中的數據結果，得出以下結論：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定運行，應采取適當的補氣措施。

5 結論

圖2 閥門開度與閥體垂直振動的關系曲線示意圖

本研究從固定錐形閥在水利工程中的應用著手，并以某水庫補水工程作為現場試驗的對象，對比模型試驗和現場原型試驗的效果，以探究固定錐形閥在運行的過程中空蝕、振動以及穩定問題。通過探究主要得出以下結論：第一，在固定錐形閥應用的過程中，其在大開度下排放系數較高，性能更好。第二，在經濟條件等允許的情況下，應盡量配置導流罩，以提高消能的效果，并促進其穩定運行。最后，在降低閥體振動，抑制氣蝕問題等方面，適當補氣是有效手段，應予以重視。