固定锥形阀常用结构特点及其排放系数探讨

臧兴华　袁邦　张希恒

摘 要：目前不少水电站为了保证机组停机检修时，不使河流断流，保护下游环境，需要固定锥形阀进行生态放流，要求有较高的排放系数，确保下游建筑物以及有压管道经济安全，节省投资资金。文章对固定锥形阀的常用结构特点进行对比分析，研究各种结构的排放系数，为今后固定锥形阀的选用提供参考依据。文章介绍了固定锥形阀常用结构特点，并对各结构的排放系数进行CFD计算对比分析。

关键词：固定锥形阀；结构特点；排放系数

1 固定锥形阀的结构

固定锥形阀由阀体、导流筋片、固定锥和调节套筒等主要部件组成。采用不锈钢制造的调节套筒通过导流筋片安装在阀体上，执行机构带动套筒的移动来调节阀门过流面积。用于水利工程大坝放空、水电站机组旁路、水利或水电灌溉水系统专门的流量调节阀。

目前应用最多的固定锥形阀的结构有不带导流罩（见图1）和带导流罩两种（见图2），阀门出口的应用分大气排放和淹没排放两种，因此就形成了以下四种组合：（1）对空排放，无导流罩；（2）对空排放，有导流罩；（3）淹没出流，无导流罩；（4）淹没出流，有导流罩。

2 固定锥形阀的特点

固定锥形阀对空排放的特点是其出口高速水流呈伞状射入大气中，通过与大气的接触和摩擦作用，大量的空气与喷射水流相互混掺，水流呈雾化状态，同时由于空气阻力的作用使水流速度迅速减小，喷出一定距离后落入下游水池或河道中。排空形式的固定锥形阀安装形式，操作和安装简单，因出口水流喷射距离较远，适用于下游有较大空间尺寸的场所。

固定锥形阀淹没出流的特点是阀后的出口高速水流排入下游的消能池中，流动状态由急流变为缓流，依靠水跃消能的作用，动能又迅速转化为位能，经过一段距离后能量得到消除。常在消能池中设置辅助的消能工，提高效能效果，减少水流对消能池壁的冲击。适用于较小空间尺寸的场所。

固定锥形阀出口增设导流罩可收缩水流，减少水流喷射面积，但在高压差工况下会带来气蚀，振动、噪音等问题。

3 固定锥形阀的排放系数比较分析

排放系数是表示阀门过流能力的一个常量，是固定锥形阀设计选型的重要参数。行业标准中对排放系数的定义如下：

式中：H0-阀前总水头，包括静压和动压（速度水头），m；P-阀后静压，m；A-阀门进口过流面积，m2；Q-通过阀门的流量，m3/s。

对同一口径固定锥形阀的四种组合，通过Ansys Fluent软件，采用基于压力基的分离式求解器进行迭代计算，求解方法及控制参数设置如表1所示，分别计算各个开度下的阀前总水头H0、阀后静压P和过阀流量Q代入式（1）中求得排放系数，整理的曲线如图3所示。

从图3分析得出：

（1）是否设置导流罩对排放系数的影响较大，但是在对空排放和淹没排放的对比看，排放系数差别不大。

（2）四种组合的排放系数在60%开度之前差异不大，之后的差别才明显。

（3）在有导流罩的结构下，最大的流量并不是出现在全开状态，而是大约在90%的开度下流量最大，这是因为在有导流罩的情况下，紊流加剧，且在全开状态下紊流严重影响了流量，这样全开下反而流量下降了。在无导流罩的情况下，全开的紊流也有影响到流量，因此曲线斜率下降。

4 结束语

不同结构的固定锥形阀的排放系数在开度60°以下区别不大，在更大开度时才有明显区别。无导流罩结构的固定锥形阀对出口排放的空间要求高，带导流罩结构的固定锥形阀对出口排放的空间要求低，因此针对各项目的实际情况，对固定锥形阀进行合理经济的选用。文章对固定锥形阀的选用，在实际工程应用中具有重要的指导意思。