高水頭大流量水利固定錐型閥設(shè)計(jì)選型試驗(yàn)

高水頭大流量水利固定錐型閥設(shè)計(jì)選型試驗(yàn)

固定錐型閥應(yīng)用于水利工程中，其優(yōu)勢(shì)在于適應(yīng)高水頭和大流量，因而備受關(guān)注和重視。因此，論文重點(diǎn)介紹了該錐型閥的選型設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)及其應(yīng)用，并重點(diǎn)對(duì)錐型閥排放閥的排放系數(shù)、空蝕、補(bǔ)氣以及振動(dòng)等問(wèn)題展開(kāi)探討。






1高水頭大流量水利固定錐型閥設(shè)計(jì)選型試驗(yàn)引言


固定錐型閥（簡(jiǎn)稱(chēng)錐型閥）在水利工程應(yīng)用的過(guò)程中，具有適應(yīng)大流量和高水頭的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具有在承壓承流范圍內(nèi)無(wú)振動(dòng)以及無(wú)氣蝕特點(diǎn)的排氣閥門(mén)，因而是水輪發(fā)電機(jī)阻旁通閥的自有排放閥。錐型閥主要被應(yīng)用于水利工程中的泄流消能方面，近年來(lái)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)各個(gè)水利工程中。然而，從整體上來(lái)看，我國(guó)對(duì)于錐型閥的應(yīng)用還比較少。目前，我國(guó)水利工程中的閘門(mén)形式比較多樣，主要有弧形閘門(mén)、平板閘門(mén)、錐型閥以及蝶閥等。在選取底孔工作閘類(lèi)型的過(guò)程中，由于一些不合理因素的存在，會(huì)在很大的程度上影響設(shè)計(jì)中功能的實(shí)現(xiàn)。錐型閥作為超過(guò)水頭大口徑泄水設(shè)備，其運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性備受關(guān)注和重視。因此，本研究從比較錐型閥選型，模型試驗(yàn)以及應(yīng)用試驗(yàn)等方面出發(fā)，對(duì)排放閥的空蝕、振動(dòng)、流量系數(shù)以及補(bǔ)氣等問(wèn)題展開(kāi)研究和分析。


 在水利水電建設(shè)工程中,錐形閥通常作為水庫(kù)、灌溉的泄水設(shè)備,其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,泄水流態(tài)好、布置緊湊、質(zhì)量較輕、安裝使用較易、啟閉力小、設(shè)計(jì)水頭高、易于電動(dòng)手動(dòng)等特點(diǎn)。錐形閥一般設(shè)置在泄水管道的末端,利用它的啟閉來(lái)放水以滿(mǎn)足灌溉、放空水庫(kù)、泄洪、流量控制等要求。






2高水頭大流量水利固定錐型閥設(shè)計(jì)選型試驗(yàn)模型試驗(yàn)分析

2.1試驗(yàn)的內(nèi)容


在探究錐型閥排放系數(shù)，以及系數(shù)與振動(dòng)、空蝕等問(wèn)題的過(guò)程中，選取的噴管直徑是288mm，在這一模型上展開(kāi)研究和分析。在展開(kāi)試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是分析導(dǎo)流罩和直管段這兩種比較常見(jiàn)的錐型閥出口配置為對(duì)象，對(duì)比分析其對(duì)閥門(mén)排放性的影響;另一方面是分析補(bǔ)氣在閥門(mén)穩(wěn)定和振動(dòng)方面的作用，這主要是由于高速水流的情況下可能會(huì)導(dǎo)致氣蝕問(wèn)題的發(fā)生，因而需要對(duì)這一方面展開(kāi)試驗(yàn)。


2.2試驗(yàn)原理


固定錐形閥其結(jié)構(gòu)為外套筒形式，即閥體固定。它是采用絲桿螺母伸縮動(dòng)作，帶動(dòng)外套筒上下動(dòng)作，達(dá)到閥門(mén)的啟閉目的。它廣泛應(yīng)用于水利、水電、水庫(kù)等工程上。

　　技術(shù)參數(shù)：

　　1、水力條件好，具有較高的流量系數(shù)u=0.73~0.83。

　　2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕；布置緊湊，操作靈活，維護(hù)方便、運(yùn)行可靠、啟閉力小。

　　3、泄流時(shí)噴出水舌為喇叭狀，空中擴(kuò)散摻氣、消能效果好，一般都不用做消能措施，如設(shè)置為淹沒(méi)式出流，側(cè)水下的消能也很簡(jiǎn)單。

2.3測(cè)試的系統(tǒng)


在測(cè)量閥門(mén)流量時(shí)，采用電磁流量。在測(cè)量閥門(mén)壓力時(shí)，采用壓力傳感器。閥體震動(dòng)的測(cè)量主要是通過(guò)加速傳感器進(jìn)行測(cè)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(shí)對(duì)閥體振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。在對(duì)壓力展開(kāi)測(cè)量的過(guò)程中，對(duì)進(jìn)口和出口的位置應(yīng)適當(dāng)，不應(yīng)過(guò)近，也不應(yīng)過(guò)遠(yuǎn)，否則均會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通常情況下，水流流動(dòng)是不會(huì)受到流道、環(huán)境以及閥門(mén)運(yùn)行等因素的干擾的，因而測(cè)試值可以代表真實(shí)流態(tài)。由于錐型閥壓力管道主要埋在水工主體內(nèi)，因而水流在流經(jīng)出口側(cè)導(dǎo)流罩或者直流段后，其會(huì)直接排入大氣中?？紤]這一因素，在對(duì)進(jìn)出口壓力展開(kāi)測(cè)量的過(guò)程中，選取的測(cè)量斷面是閥體前和閥體后1倍的直徑處。本研究的測(cè)試系統(tǒng)所選取的測(cè)量?jī)?nèi)容、傳感器型號(hào)及精度等。




3高水頭大流量水利固定錐型閥設(shè)計(jì)選型試驗(yàn)模型試驗(yàn)結(jié)果


在試驗(yàn)的過(guò)程中，主要是在70m水頭下展開(kāi)的，并且主要在三種工況下進(jìn)行試驗(yàn)。種工況為配直管段，但并不進(jìn)行補(bǔ)氣;第二種工況為配直管段且進(jìn)行補(bǔ)氣;第三種工況是配導(dǎo)流罩，但不進(jìn)行補(bǔ)氣。在對(duì)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行控制的過(guò)程中，開(kāi)度主要有10%階梯上升至99%。與此同時(shí)，對(duì)閥門(mén)流量、壓力以及振動(dòng)等信號(hào)進(jìn)行采集。最后繪制關(guān)系曲線(xiàn)，包括閥門(mén)開(kāi)度與排放系數(shù)、閥體振動(dòng)等的關(guān)系圖。


3.1兩種配置的對(duì)比結(jié)果


通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)試和計(jì)算結(jié)果，對(duì)種工況和第三種工況的閥門(mén)開(kāi)度與排放系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行了繪制。通過(guò)圖1得出以下三個(gè)結(jié)論：


，閥門(mén)系數(shù)越大，閥門(mén)的開(kāi)度也就越大，兩者之間的關(guān)系為正相關(guān)關(guān)系。但當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度達(dá)到80%以上時(shí)，系數(shù)是趨于穩(wěn)定的。

第二，閥門(mén)開(kāi)度未達(dá)到30%時(shí)，在排放系數(shù)方面，導(dǎo)流罩是低于直管段的。

第三，閥門(mén)開(kāi)度在40%至80%之間時(shí)，在排放系數(shù)方面，導(dǎo)流罩高于直管段。

3.2補(bǔ)氣對(duì)振動(dòng)的影響


結(jié)合和的結(jié)果，可主要得出以下結(jié)論：


，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度在30%以下時(shí)，補(bǔ)氣工況下，閥體垂直、軸向上的振動(dòng)均大于沒(méi)有補(bǔ)氣的工況。在補(bǔ)氣工況下，徑向振動(dòng)小于沒(méi)有補(bǔ)氣的工況。

第二，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度在40%以上時(shí)，補(bǔ)氣工況下的閥體振動(dòng)均低于沒(méi)有進(jìn)行補(bǔ)氣的工況。也就是說(shuō)，閥門(mén)開(kāi)度較大時(shí)，為降低閥體振動(dòng)，并促使其穩(wěn)定，適當(dāng)補(bǔ)氣是一種較為有效的方式。與此同時(shí)，上述試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步說(shuō)明，在改善閥門(mén)內(nèi)部流體壓力分布方面，補(bǔ)氣也是一種較好的方式。



4高水頭大流量水利固定錐型閥設(shè)計(jì)選型試驗(yàn)模型的應(yīng)用


通過(guò)上述模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，配置導(dǎo)流罩的錐型閥時(shí)，其在排放流水的過(guò)程中，優(yōu)勢(shì)在于排放系數(shù)高且會(huì)起到更好的擴(kuò)散流水的作用。與此同時(shí)，對(duì)下游的沖刷影響也比較小，因而在閥門(mén)運(yùn)行的穩(wěn)定性方面更具優(yōu)勢(shì)。除此之外，也會(huì)在一定程度上增加空氣和水流的摩擦力，進(jìn)而在消能效果方面，其也占有較好的優(yōu)勢(shì)。某水庫(kù)補(bǔ)水工程中，采用的就是配置導(dǎo)流罩的錐型閥，分別是進(jìn)口管、驅(qū)動(dòng)油缸、噴管、滑套筒以及導(dǎo)流罩。


為探究錐型閥的排放特性，重要的一環(huán)是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的原理同上。但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也與理論研究也存在一定的區(qū)別，即在模型試驗(yàn)和測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成方面有一定的差異，其差異主要在于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的過(guò)程中，由于閥門(mén)出口側(cè)沒(méi)有辦法布置壓力傳感器，因而在計(jì)算的過(guò)程中，出口側(cè)壓力采用的是大氣壓。在試驗(yàn)的過(guò)程中，水頭高為123m，工況主要是在補(bǔ)氣和未補(bǔ)氣這兩種工況下展開(kāi)試驗(yàn)。在分析的過(guò)程中，主要是通過(guò)繪制關(guān)系曲線(xiàn)示意圖的方式進(jìn)行對(duì)比分析。




4.1補(bǔ)氣效果


導(dǎo)流罩的錐型閥數(shù)據(jù)分析，可主要得出以下結(jié)論：


，閥門(mén)開(kāi)度和排放系數(shù)關(guān)系密切。為提高泄水的效率，應(yīng)在閥門(mén)大開(kāi)度運(yùn)行時(shí)進(jìn)行控制。

第二，補(bǔ)氣對(duì)于排放系數(shù)影響不大。在開(kāi)度達(dá)到50%以上時(shí)，且在補(bǔ)氣的工況下，系數(shù)會(huì)逐漸增大。

第三，閥門(mén)開(kāi)度在40%至50%之間時(shí)，相比于原型排放系數(shù)而言，模型的系數(shù)更高。

4.2振動(dòng)及穩(wěn)定性分析


結(jié)合中的數(shù)據(jù)結(jié)果，得出以下結(jié)論：，閥體振動(dòng)隨著閥門(mén)開(kāi)度的增加，變化趨勢(shì)為N字形，原型與模型的變化趨勢(shì)是一致的。第二，補(bǔ)氣能夠改善閥體的振動(dòng)水平，尤其是對(duì)原型?？傊瑸榇偈瑰F形閥的高效穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)氣措施。




5高水頭大流量水利固定錐型閥設(shè)計(jì)選型試驗(yàn)結(jié)論


本研究從固定錐形閥在水利工程中的應(yīng)用著手，并以某水庫(kù)補(bǔ)水工程作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的對(duì)象，對(duì)比模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)的效果，以探究固定錐形閥在運(yùn)行的過(guò)程中空蝕、振動(dòng)以及穩(wěn)定問(wèn)題。通過(guò)探究主要得出以下結(jié)論：，在固定錐形閥應(yīng)用的過(guò)程中，其在大開(kāi)度下排放系數(shù)較高，性能更好。第二，在經(jīng)濟(jì)條件等允許的情況下，應(yīng)盡量配置導(dǎo)流罩，以提高消能的效果，并促進(jìn)其穩(wěn)定運(yùn)行。最后，在降低閥體振動(dòng)，抑制氣蝕問(wèn)題等方面，適當(dāng)補(bǔ)氣是有效手段，應(yīng)予以重視。