水工试验用固定锥型阀模型的研制与应用

李新

（河南省直属机关老干部休养所，郑州 450000）

1 引言

固定锥型阀（简称锥型阀）在水利工程应用的过程中，具有适应大流量和高水头的优势，同时还具有在承压承流范围内无振动以及无气蚀特点的排气阀门，因而是水轮发电机阻旁通阀的自有排放阀[1]。锥型阀主要被应用于水利工程中的泄流消能方面，近年来已经被广泛应用于我国各个水利工程中。然而，从整体上来看，我国对于锥型阀的应用还比较少。目前，我国水利工程中的闸门形式比较多样，主要有弧形闸门、平板闸门、锥型阀以及蝶阀等[2]。在选取底孔工作闸类型的过程中，由于一些不合理因素的存在，会在很大的程度上影响设计中功能的实现[3]。锥型阀作为超过水头大口径泄水设备，其运行的安全性和稳定性备受关注和重视。因此，本研究从比较锥型阀选型，模型试验以及应用试验等方面出发，对排放阀的空蚀、振动、流量系数以及补气等问题展开研究和分析。

2 固定锥型阀模型试验分析

2.1 试验的内容

在探究锥型阀排放系数，以及系数与振动、空蚀等问题的过程中，选取的喷管直径是288mm，在这一模型上展开研究和分析。在展开试验时，内容主要包括两个方面的内容，一方面是分析导流罩和直管段这两种比较常见的锥型阀出口配置为对象，对比分析其对阀门排放性的影响；另一方面是分析补气在阀门稳定和振动方面的作用，这主要是由于高速水流的情况下可能会导致气蚀问题的发生，因而需要对这一方面展开试验。

2.2 试验原理

本研究在衡量阀门流通能力时，选取的指标是排放系数，其是常用的且重要的一个指标。排放系数越大表示流体在流经阀门时承受的压力越小。也就是说，排放系数越大表示排放性能越好。而当阀门的排放系数越小时，其表示的是流体在流经阀门的过程中，压力损失越大，阀门的排放性能也就越差。排放系数公式的计算公式，如公式（1）所示。在公式（1）中，Cd表示阀门的排放系数，v表示的是流体流经阀门时的平均速度，单位为m/s。g表示的是重力加速度，单位为m/s2。ΔH表示的是阀门前静水头和动水头的和，单位为m。其中，H的计算公式，如公式（2）所示。在公式（2）中，阀门流量用Q表示，单位为m3/s。阀门进口流速用vi表示，出口流速用v0表示，单位均为m/s。阀门进口断面的面积采用Ai表示，出口断面的面积采用A0表示，单位均为m2。阀门进口压力采用pi表示，出口压力采用p0表示，单位均为Pa。阀门进口中心高程采用zi表示，出口中心高程采用z0表示，单位均为m。

2.3 测试的系统

在测量阀门流量时，采用电磁流量。在测量阀门压力时，采用压力传感器。阀体震动的测量主要是通过加速传感器进行测量和获得的。加速传感器主要位于阀体的轴向、垂直及径向水平，同时对阀体振动进行测量。在对压力展开测量的过程中，对进口和出口的位置应适当，不应过近，也不应过远，否则均会影响测量数据的准确性。通常情况下，水流流动是不会受到流道、环境以及阀门运行等因素的干扰的，因而测试值可以代表真实流态。由于锥型阀压力管道主要埋在水工主体内，因而水流在流经出口侧导流罩或者直流段后，其会直接排入大气中。考虑这一因素，在对进出口压力展开测量的过程中，选取的测量断面是阀体前和阀体后1倍的直径处。本研究的测试系统所选取的测量内容、传感器型号及精度等。

3 固定锥型阀模型试验结果

在试验的过程中，主要是在70m水头下展开的，并且主要在三种工况下进行试验。第一种工况为配直管段，但并不进行补气；第二种工况为配直管段且进行补气；第三种工况是配导流罩，但不进行补气。在对阀门开度进行控制的过程中，开度主要有10%阶梯上升至100%。与此同时，对阀门流量、压力以及振动等信号进行采集。最后绘制关系曲线，包括阀门开度与排放系数、阀体振动等的关系图。

3.1 两种配置的对比结果

图1 排放系数与阀门开度关系曲线图

通过对相关数据的测试和计算结果，对第一种工况和第三种工况的阀门开度与排放系数的关系曲线进行了绘制。通过图1得出以下三个结论：第一，阀门系数越大，阀门的开度也就越大，两者之间的关系为正相关关系。但当阀门开度达到80%以上时，系数是趋于稳定的。第二，阀门开度未达到30%时，在排放系数方面，导流罩是低于直管段的。第三，阀门开度在40%至80%之间时，在排放系数方面，导流罩高于直管段。

3.2 补气对振动的影响

结合表1和图1的结果，可主要得出以下结论：第一，当阀门开度在30%以下时，补气工况下，阀体垂直、轴向上的振动均大于没有补气的工况。在补气工况下，径向振动小于没有补气的工况。第二，当阀门开度在40%以上时，补气工况下的阀体振动均低于没有进行补气的工况。也就是说，阀门开度较大时，为降低阀体振动，并促使其稳定，适当补气是一种较为有效的方式。与此同时，上述试验结果也进一步说明，在改善阀门内部流体压力分布方面，补气也是一种较好的方式。

表1 阀门开度与阀体振动数据统计表（m/s2）

4 固定锥型阀模型的应用

通过上述模型试验结果显示，配置导流罩的锥型阀时，其在排放流水的过程中，优势在于排放系数高且会起到更好的扩散流水的作用。与此同时，对下游的冲刷影响也比较小，因而在阀门运行的稳定性方面更具优势。除此之外，也会在一定程度上增加空气和水流的摩擦力，进而在消能效果方面，其也占有较好的优势。某水库补水工程中，采用的就是配置导流罩的锥型阀，分别是进口管、驱动油缸、喷管、滑套筒以及导流罩。

为探究锥型阀的排放特性，重要的一环是进行现场试验。现场试验的原理同上。但现场试验也与理论研究也存在一定的区别，即在模型试验和测试系统构成方面有一定的差异，其差异主要在于现场试验的过程中，由于阀门出口侧没有办法布置压力传感器，因而在计算的过程中，出口侧压力采用的是大气压。在试验的过程中，水头高为123m，工况主要是在补气和未补气这两种工况下展开试验。在分析的过程中，主要是通过绘制关系曲线示意图的方式进行对比分析。

4.1 补气效果

导流罩的锥型阀数据分析，可主要得出以下结论：第一，阀门开度和排放系数关系密切。为提高泄水的效率，应在阀门大开度运行时进行控制。第二，补气对于排放系数影响不大。在开度达到50%以上时，且在补气的工况下，系数会逐渐增大。第三，阀门开度在40%至50%之间时，相比于原型排放系数而言，模型的系数更高。

4.2 振动及稳定性分析

结合图2中的数据结果，得出以下结论：第一，阀体振动随着阀门开度的增加，变化趋势为N字形，原型与模型的变化趋势是一致的。第二，补气能够改善阀体的振动水平，尤其是对原型。总之，为促使锥形阀的高效稳定运行，应采取适当的补气措施。

5 结论

图2 阀门开度与阀体垂直振动的关系曲线示意图

本研究从固定锥形阀在水利工程中的应用着手，并以某水库补水工程作为现场试验的对象，对比模型试验和现场原型试验的效果，以探究固定锥形阀在运行的过程中空蚀、振动以及稳定问题。通过探究主要得出以下结论：第一，在固定锥形阀应用的过程中，其在大开度下排放系数较高，性能更好。第二，在经济条件等允许的情况下，应尽量配置导流罩，以提高消能的效果，并促进其稳定运行。最后，在降低阀体振动，抑制气蚀问题等方面，适当补气是有效手段，应予以重视。