長距離輸水工程電動調(diào)節(jié)閥動態(tài)過流特性研究進展＊

范錫冉

（華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州450045；浙江水利水電學(xué)院水利與海洋工程研究所，浙江 杭州310018）

電動調(diào)節(jié)閥通過變化自身開度來實現(xiàn)通斷管路系統(tǒng)及控制流量大小，它是輸水工程系統(tǒng)的重要部件，其過流特性將對整個系統(tǒng)的效率和安全產(chǎn)生直接的影響。由于閥門對流體有阻止作用，不同的開度會致閥門內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)變化，從而使能量損失。同時會有劇烈的沖擊與振動，可能會導(dǎo)致閥體變形與疲勞破壞，會影響控制和調(diào)節(jié)的精度，嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致整個系統(tǒng)工作失靈。因此，研究電動調(diào)節(jié)閥過流特性對于提高整個輸水系統(tǒng)的效率與安全性具有較高的實際價值。

對閥門小開度過流特性的研究，主要有模型試驗、理論分析、數(shù)值計算、管道試驗等幾種。

1 理論和數(shù)值模擬方面的研究進展

秦明海[1]引入了兩個不同的概念：幾何開度和水力開度，正確理解閥門的過流特性，得到水泵斷電工況下過流特性對水擊的影響。萬五一等[2]通過分析閥門基本特性，得到了流量系數(shù)變化規(guī)律對瞬變過程的影響，它會直接影響管路中產(chǎn)生的最大水擊壓力，相似的工況下流量系數(shù)變化較平緩，所產(chǎn)生的水擊壓力較小。楊國來等[3]利用FLUENT軟件對節(jié)流閥流場進行了仿真分析，得知要得到穩(wěn)定小流量，需要開度合適，不能太小，壓差不能太大。將節(jié)流孔改為左右布置，使節(jié)流口的雜質(zhì)沉積減少，對最小穩(wěn)定流量的研究作出了貢獻。李鳳濱[4]根據(jù)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和壓力流量關(guān)系理論，率定了調(diào)流閥的過流特性曲線簇，由曲線圖可見存在一個轉(zhuǎn)折點，當(dāng)開度大于轉(zhuǎn)折點之后，與流量的關(guān)系可以看作線性關(guān)系。這一結(jié)論可以在長距離輸水工程中指導(dǎo)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流量。黃偉等[5]以水泵出口控制閥為研究對象，建立理想關(guān)系模型來反映對流量系數(shù)與閥門相對開度的關(guān)系，通過分析工程實例，得到了四種水泵控制閥的特性曲線，理想曲線為下凹形，可以減小管道中的壓力，有效抑制管路中產(chǎn)生負壓。吳石等[6]研究發(fā)現(xiàn)閥門開度減小到一定角度時，附近會出現(xiàn)漩渦。三種閥門漩渦形成的位置不同，閥門開度越大，能量損失越大。劉華坪等[7]利用動網(wǎng)格、UDF技術(shù)、動態(tài)仿真，得到閥門開啟和關(guān)閉過程不是反過程，流場特點和受力特點有很大差異。姚楊[8]確定了小開度各工況的范圍，獲得小開度工況水輪機特性曲線，分析了閥門7%開度時水輪機外特性的變化規(guī)律。鄧聰?shù)萚9]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速增加時，漩渦結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定，內(nèi)部流場紊亂。胡建永等[10]計算表明，合理布置空氣閥可以有效消除輸水系統(tǒng)的負壓。

2 物理實驗方面的研究進展

曹明等[11]通過試驗討論了幾種影響因素對減壓閥靜態(tài)特性的影響，對減壓閥的設(shè)計提供了有效參考，比如要考慮閥芯的不平衡面積、膜片面積和總體剛度。何建慧等[12]得出結(jié)論，閥板上設(shè)置過流孔可以大大提高流量，且使流動平緩，也不會改變閥板結(jié)構(gòu)強度，對過流孔的尺寸、分布方式等參數(shù)提出了綜合考量。伍悅濱等[13]通過實驗建立了閘閥阻力系數(shù)與相對開度的關(guān)系的模型，提出了一種新的計算方法，即計入閥門阻力。得出閥門的局部阻力系數(shù)的影響因素不僅有開度，還有管徑。國內(nèi)外的研究得到了閥門內(nèi)一些總體性能參數(shù)，如流量特性、壓力損失狀況等，但是由于閥腔內(nèi)部的流動是復(fù)雜的黏性非定常流動[14]，無法得到閥腔中變化復(fù)雜的流場分布，同時也無法進一步探究流動損失的機理。

3 優(yōu)化設(shè)計方面的研究進展

孫曉等[15]研究了止回閥閥芯的優(yōu)化設(shè)計，對閥芯長度與閥瓣進行優(yōu)化設(shè)計，后期的實驗驗證了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有較好的性能。劉惺等[16]為蝶閥的設(shè)計與選型提供一定的技術(shù)支撐。前蘇聯(lián)莫斯科動力學(xué)院的研究者們對閥門的局部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，提高了閥門的安全性與穩(wěn)定性[17]。美國的通用電氣公司研制出了幾種性能優(yōu)良的高、中壓調(diào)節(jié)閥，顯著提高了管道的流通效率。并且在改進閥門的局部結(jié)構(gòu)之后，減少了30%左右的能量損失[18]。德國的西門子公司和日本的三菱公司提高了閥門的流通能力[19]。袁新明等[20]對流道進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的閥門流道通過性變得更好，阻力系數(shù)降低。

4 結(jié)論

綜上所述，目前國內(nèi)外對于閥門的流場特性已做了大量研究，但其研究方法與研究側(cè)重點各有不同，得出的結(jié)論也不盡相同。盡管近年來閥門的控制向著自動化、智能化方向不斷邁進，但是由于受研究條件的限制，閥門過流性能并沒有得到明顯改善，特別是小開度下閥門的流動損失與故障率無法得到有效控制。進行物理模型試驗時，閥門連續(xù)變開度情況下，壓力和流量的測量存在時差，需要進行數(shù)據(jù)的同步化處理。且在小開度狀態(tài)下精確獲取流量數(shù)據(jù)較為困難。因此，研究電動調(diào)節(jié)閥過流特性對于提高整個輸水系統(tǒng)的效率與安全性具有實際的價值，為今后更加系統(tǒng)地研究閥門內(nèi)流場細節(jié)以及閥門結(jié)構(gòu)改進提供了大量的有價值的參考數(shù)據(jù)。