水力式升船機控制閥門水力特性試驗研究

王蛟 胡亞安 嚴秀俊 劉精凱

摘要：控制閥門是水力式升船機所特有的核心設備，深入全面地掌握其內部及附近的水力特性，關乎水力式升船機的運行效率及安全。針對世界上第一座水力式升船機的控制閥門——活塞式調流閥，通過物理模型試驗進行了不同開度、背壓、壓差條件下的水力特性試驗研究，重點關注閥門的流量特性、空化特性以及閥后管壁壓力特性。研究結果表明：活塞閥控流精確，可將空化限制在閥口及以外，對閥門自身保護較好;但在小開度時過流能力偏低、流態不穩定、閥后管壁壓力受流場影響明顯，不利于管道安全。

關 鍵 詞：

活塞式調流閥; 水力特性; 物理模型試驗; 流量系數; 空化數; 流場結構; 水力式升船機

中圖法分類號： TV672.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.028

0 引 言

水力式升船機通過流量控制閥門來調控承船廂的運行速度[1]，對閥門控制的要求非常高：空中運行階段要求閥門供流大，以便提高運行效率;對接階段要求閥門控流精確，盡量減小對接誤差。景洪水力式升船機在設計初期將精確控流作為第一要素，對蝶閥、球閥及活塞閥進行了比選[2]，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）作為流量控制閥門。

活塞閥主要由閥體、活塞、閥座、閥軸等部件組成，內、外殼之間形成環形通道供流體通過。其控流調壓原理是：通過控制活塞桿沿水流方向運動，改變內外殼間環形通道的過流面積，從而實現對流量和壓力的調節。基于其結構特性，活塞閥具有以下特點：① 流體以環狀內噴方式出流，空化始于閥口、游移于閥外;② 初始空化數較小，但流阻系數較大;③ 活塞桿行程短，所需驅動力小;④ 便于電力驅動和外接控制系統。

基于以上特點，活塞閥常被用于大型輸水系統的控流調壓控制[3]。1997年，為了改善水庫的控壓精度，成都市六水廠選用活塞閥更新了關鍵控流調壓部件[4]。2000年，基于同樣的目的，北京自來水集團選用了活塞閥[5]。2008年，為了精確控流，重慶市涪陵區龍潭水利工程經比選，最后選擇活塞閥作為主要的調流元件[6]。2010年，為了保證小流量低壓力工況下的控制精確度，遼寧省大伙房水庫輸水工程同樣選擇活塞閥作為輸水管路的調壓控流元件[7]。

目前，對于活塞閥的相關研究主要集中于優化閥門內部結構型式，以達到改善其流動特性的目標。楊富超等[8]綜述了活塞閥在水電站放空系統中的應用情況，并總結對比了典型工業控流調壓閥門的性能參數與運維特性。楊開林[9]通過理論分析得到了活塞閥流量系數、閥門開度與管路特性的解析式，可供閥門優化設計借鑒。鄧君[10]利用大型商業流體計算軟件分析了典型通徑活塞閥在不同開度下的穩態流場特性，優化了活塞套筒的出口結構型式。范建強[11]從工程設計角度出發，對活塞閥的公稱壓力等級 PN 值、出口結構、閥門通徑、閥門型式等重要參數進行了詳盡分析，給出了關鍵參數的計算及優化設計依據，可供類似工程閥門選型參考借鑒。此后，又從工程的特殊性要求入手，結合活塞閥的理論計算及結構特點，對活塞式調流閥在工程初、中期的充水、流量、壓力調度的適用性進行了分析[12]。李燕輝等[13]通過三維數值模擬方法對DN2400活塞閥穩態及瞬態的流場特性進行了研究，分析了流量系數與流動狀態的對應關系和瞬態啟閉閥門時的側向力。

可見，活塞閥通過調節套筒來實現流量的精確控制，可將空化控制在閥口及以外區域，確保閥門安全。相關研究也側重于套筒等結構的優化，但對閥后管道、輸水系統具體影響的研究較少。世界上第一座水力式升船機（景洪升船機）在輸水系統中也采用了活塞閥作為控制閥門。王浩[14]對景洪升船機控制閥門的水力特性進行了研究，發現活塞閥出流不穩定，會形成“漩渦流”。景洪工程原型觀測成果表明，活塞閥流量控制精確，可以滿足景洪升船機的運行要求，但也存在一些不足，不利于水力式升船機的推廣應用[15]。小開度下活塞閥流阻較大，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，空化噪聲尖銳，振動強烈，不利于閥后管道安全。但由于原型試驗條件有限，未能進行全面、系統的活塞閥水力特性研究。為全面掌握活塞閥的水力特性，本文采用與景洪升船機相同型式的活塞閥（僅閥門通徑不同），展開了全面、系統的閥門水力特性試驗研究。

1 物理模型設計

本次研究中試驗閥門與景洪水力式升船機控制閥門為同一閥型，均為德國VAG公司生產的活塞閥，套筒型式為SZ20-30%，試驗閥門通徑為150 mm，閥門結構及閥口照片如圖1所示。為了提供接近原型的閥門水力特性試驗條件，項目組研發了集供水系統、閥門控制系統、關鍵水力參數監控與調節系統一體自動化的閥門空化試驗平臺，顯著提高了試驗智能化和效率。基于試驗目標，試驗模型主要由控水調壓系統、試驗段和觀測系統組成，如圖2所示，傳感器布設如圖3所示，試驗照片如圖4所示，主要試驗設備及傳感器特性如表1所列。

試驗過程主要為：針對閥門各開度，進行閥門段恒定流水力特性試驗研究。在具體開度下，通過試驗段前后的流量調節閥配合電子壓力表精確控制試驗閥門工作條件的背壓及壓差，背壓主要有60，120，180 kPa，壓差主要有60，120，180，240，300 kPa，部分工況根據空化強度適當調整壓差組合。在具體背壓及壓差組合下，待試驗閥門流場及壓力穩定后進行約1 min時長的閥門段管壁壓力特性及空化特性數據采集，同時通過攝影機記錄閥后透明管道內的流場結構及空化現象。部分工況在間隔一定時間（約3 d）后進行復核試驗，以便盡量排除試驗可能存在的隨機性。

2 試驗成果分析

本次研究針對活塞閥進行了不同開度、背壓（下游穩定壓力）、壓差的試驗研究，重點關注閥門的流量特性、空化特性及閥后管壁壓力特性，并結合閥門運行方式及閥后流場結構進行深入分析，具體如下。

2.1 閥門流量特性

在高壩通航領域中，閥門流量系數可按式（1）計算：

μ=QA2P1-P2ρ（1）

式中：μ為流量系數;A為閥門最大過流面積;Q為閥門實際過流流量;ρ為流體密度;P1、P2分別為閥門前后穩定壓力。

2.1.1 流量系數隨開度的變化

圖5是活塞閥開度套筒行程及流量系數關系曲線，各開度流量系數為背壓120 kPa、閥門未空化前的穩定值，可以代表閥門的流量特性。活塞閥流量系數隨開度增大而增加，呈“S”型，最大流量系數為0.445。開度為0.1～0.7時，流量系數增幅隨開度增加而增大;開度為0.8～1.0時，流量系數增幅隨開度增加而變緩，在開度為0.8時存在增幅由增轉減的“拐點”。活塞閥通過活塞桿調節套筒位置來改變閥門過流能力，不同開度下活塞閥套筒行程與流量系數的關系如圖5所示。由圖5可知，開度為0.1～0.7時，套筒行程與活塞閥流量系數吻合較好。說明活塞閥流量系數在此開度區間主要受套筒行程影響，與套筒行程呈正比關系;開度為0.8～1.0時，各開度套筒行程基本保持不變，但此區間活塞閥流量系數增幅卻在不斷減緩。這主要是因為大開度下，套筒逐步退出主流區，活塞閥出流受套筒的影響逐漸減小，因此相同行程下閥門流量系數的增幅不斷變緩。因此，流量系數-開度曲線在開度0.8處出現拐點，是受套筒行程與閥口流場結構影響的疊加效果。

2.1.2 流量系數隨背壓、壓差的變化

由圖6可知，同一開度下，固定背壓，逐步增大上游壓力，在未發生空化前流量系數基本維持穩定。在臨界空化壓差附近，流量系數會小幅突增，后隨壓差的進一步增大而開始明顯下降。對于該現象的一種解釋是[16]：空化初生始于細微氣泡，這些細微氣泡很難被監測到，但會在結構物表面與過流水體間形成一層水氣膜，將流體與結構物表面分離從而降低結構物的表面糙率，小幅提高供水系統的過流能力。隨著背壓的增大，閥門流量系數整體略有下降，但降幅很小（2%），并逐步趨于穩定。

2.2 閥門空化特性

2.2.1 流場結構及空化現象

活塞閥典型開度（開度0.3）下流場結構及空化現象如圖7所示。可見該類閥門空化以霧狀為主，但開度為0.3時還形成了扭繩型細長空泡。這是因為在開度0.3附近，套筒逐步脫離閥口，閥門在通過套筒側孔出流的同時開始從套筒與主廊道形成的間隙出流。閥門對稱性的內聚對沖流道設計，使得霧狀空化在該開度附近得以匯聚成束，細長空泡隨水流呈現螺旋形態，充分體現了活塞閥后不穩定的“漩渦流”流場結構，水流往復擺動，對管壁的沖擊較強。

2.2.2 臨界空化數隨開度、背壓的變化

對于空化數的定義有多種，本文采用式（2）的定義，其物理意義是閥后水頭與總水頭的比值。以σi表征臨界空化狀態，σ>σi，表征無空化狀態;σ≤σi，表征空化狀態。σi越小表示閥門空化初生時閥后水頭越小，即閥門適宜工作的水頭越大，說明閥門的抗空化性能越好。

σ=P2/ρg+Patm-Psv/ρgP1-P2/ρg+v2/2g（2）

式中：σ為空化數;Patm、Psv分別為當地大氣壓及水的飽和蒸汽壓;v為參考斷面平均流速。

圖8（a）為活塞閥各開度的臨界空化數。臨界空化數越低，表示抗空化性能越強。活塞閥臨界空化數隨開度增加逐步增大，開度0.1時空化數為0.6，開度1.0時達到2.6，整體變化規律與流量系數變化類似，在開度0.8時同樣出現拐點。圖8（b）為閥門典型開度臨界空化數隨背壓的變化情況。隨著背壓的增大，各開度臨界空化數略有波動，但整體穩定，變幅小于2%。考慮到以上波動可能是試驗誤差所致，說明該試驗條件下閥門的空化性能基本穩定，空化初生與背壓關系不大，不存在明顯的比尺效應。

2.2.3 空化噪聲特性

由于空化初生于閥體內部且游移潰滅迅速，很難直接觀察，因此一般采用間接參數來表征空化狀態，例如空化噪聲。空化噪聲特性主要包含噪聲聲壓（SP）和噪聲聲壓級（SPL），其轉換關系如下：

SPL=20lg（SPSPref）（3）

式中：SPref為基準聲壓，取2×10-5Pa。

圖9是活塞閥在開度為0.3、不同空化程度下的噪聲聲壓級曲線圖。由圖9可知，隨著相對空化數的減小，閥門空化不斷增強，空化噪聲聲壓級不斷增大。當相對空化數為0.42時，其噪聲聲壓級超過120 dB，噪聲尖銳刺耳。發生空化后（相對空化數≤1.00），活塞閥空化噪聲在較寬頻域內均不斷增大，噪聲聲壓級隨頻率的增加而衰減，說明活塞閥發生的是高頻蒸汽型空化，空化泡能量較高，對管壁沖擊較強。

2.3 閥后管壁壓力特性

管壁壓力特性一般包含時均壓力（Pav）和脈動壓力（Prms）。時均壓力表征閥后管壁的相對靜壓大小，從防空化角度而言，閥后管壁時均壓力越高越有利于抑制空化;脈動壓力表征壓力的脈動強弱，其值越小越有利于管道安全。圖10為活塞閥在開度0.3、背壓60 kPa、不同相對空化數下的閥后管壁沿程壓力特性。由圖10可知，時均壓力沿程變化趨勢與閥后流態密切相關。活塞閥在開度0.3時，套筒開始退離閥口，在套筒與閥殼之間逐步形成出流區。活塞閥內聚環狀出流，導致閥后水流出現旋滾，霧狀空泡在旋渦流的作用下匯聚成束，形成扭繩型空泡。活塞閥閥后管壁時均壓力沿程分布規律與閥后流場結構吻合較好，受旋渦流沖擊的壓力點時均值較高，背離漩渦流的壓力點時均值較低，同樣呈現扭繩形態。不論空化發生與否，活塞閥閥后管壁時均壓力的整體分布規律基本不變，僅隨相對空化數的減小而整體增大。說明活塞閥閥后形成的漩渦流對管壁的沖擊較強，空化對流場結構的影響較小。活塞閥閥后管壁壓力均方根值在閥口處最大，而后沿程逐漸降低。空化發生后，閥口附近壓力均方根值隨空化程度的增強而明顯增加，距離閥口越遠，壓力均方根值的增幅越小。可見，空化會顯著增加閥口附近水流的紊動性，影響程度沿水流方向逐漸減小。

3 結 論

本文基于景洪水力式升船機的工程實際問題，為系統地掌握活塞閥的水力特性，通過物理模型試驗，對DN150活塞閥進行了全面、系統的水力特性試驗研究，主要結論如下。

（1） 活塞閥由活塞桿來實現閥門啟閉的運動原理決定了其“流量系數-開度”呈“S”型。壓差變化時，在閥門發生空化前，流量系數基本保持不變;空化初生時，流量系數會先小幅突增，后隨空化程度的增強而迅速下降。該型閥門過流能力整體偏小，閥門全開時流量系數約為0.445。

（2） 通過閥后的透明玻璃管段，可以清晰地觀察到水流流態及空化現象。活塞閥后流場結構不穩定，空化類型為高頻蒸汽型空化。部分開度（0.3附近）處會形成“漩渦流”，將霧狀空化匯聚成扭繩型空泡，對管壁的侵蝕破壞更強。隨著開度的增加，活塞閥臨界空化數不斷增大，全開時約為2.60。

（3） 閥后流場結構對管壁壓力分布起主導作用：活塞閥為環聚噴射出流，于閥口約0.5倍閥門通徑處匯聚成束，該區域流速較高、壓力較低，后壓力逐步回升至穩定值;閥口處紊動最強，壓力脈動最大，后迅速降低，于2倍閥門通徑處達到穩定值，其后基本保持不變。

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（編輯：胡旭東）

Experimental study on hydraulic characteristics of control valve of hydraulic driven ship lift

WANG Jiao1，HU Yaan2，YAN Xiujun2，LIU Jingkai2

（1Chongqing Southwest Research Institute for Water Transport Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400016，China; 2.Key Laboratory of Navigation Structures，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Abstract：

Control valve is a special core equipment of hydraulic driven ship lift（HDSL）.Thorough understanding of its internal and nearby hydraulic properties has significant meanings to the operation efficiency and safety of hydraulic driven ship lift（HDSL）.Aiming at the control valve of the world′s first HDSL-piston type regulating valve，through the physical model test，the hydraulic characteristics under different conditions of opening，back pressure and pressure difference were tested，and the flow characteristics of the valve，cavitation characteristics and pressure characteristics of pipe wall behind the valve were analyzed.The research results showed that the flow control of the piston type regulating valve was accurate，the cavitation could be restricted to the valve mouth and outside，and the protection of valve itself was better.However，the flow capacity of the valve at a small opening was low，the flow field structure was unstable，and the pressure of pipe wall was obviously affected by the flow field，which was not conducive to the pipeline safety.

Key words：

plunger valve;hydraulic characteristics;physical modeling experiment;flow coefficient;cavitation number;flow field structure;hydraulic driven ship lift