1 概述

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市工業(yè)的快速發(fā)展和國(guó)家對(duì)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重視，長(zhǎng)途、跨流域、大規(guī)模的水利調(diào)節(jié)項(xiàng)目相繼啟動(dòng)。長(zhǎng)途水利調(diào)節(jié)工程具有水利調(diào)節(jié)流量變化大或水源水庫(kù)水位變化大的特點(diǎn)，導(dǎo)致輸水端在小流量或水源水庫(kù)高水位時(shí)，不僅需要流量調(diào)節(jié)，還需要消除剩余水能。因此，在長(zhǎng)途引水中經(jīng)常設(shè)置排水消耗閥。中國(guó)已建成的南水北調(diào)、山西黃引水、黑龍江磨盤(pán)山引水工程均設(shè)有排水閥，但上述大型引水工程中使用的最大排水閥直徑為1.8萬(wàn)mm。直徑大于2000mm調(diào)流閥在國(guó)內(nèi)大型引水工程中尚未采用先例，大口徑調(diào)流閥在大型引水工程中的可靠性有待研究。

2 活塞式調(diào)流閥與錐形閥比較

目前常用的調(diào)流消能閥主要有活塞式和固定錐形?；钊秸{(diào)流閥的運(yùn)動(dòng)部件為活塞，通過(guò)活塞軸向運(yùn)動(dòng)改變活塞與外套筒之間的過(guò)流面積來(lái)實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。錐形閥的運(yùn)動(dòng)部件為外套筒，通過(guò)外套筒軸向運(yùn)動(dòng)改變固定錐與外套筒之間的過(guò)流面積。

與活塞閥相比，錐形閥具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

a.消能活塞式調(diào)流閥的節(jié)流部件為網(wǎng)狀或條形開(kāi)孔運(yùn)動(dòng)部件，在小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)容易堵塞原水。錐形閥過(guò)流為環(huán)形開(kāi)孔部分，原水不易堵塞。

b.活塞閥消能部件和調(diào)流部件布置緊湊，閥體尺寸小。錐形閥的消能和調(diào)流分開(kāi)布置，閥體尺寸較長(zhǎng)。

c.閥體內(nèi)活塞閥的運(yùn)動(dòng)部件，操作維護(hù)復(fù)雜。錐形閥的運(yùn)動(dòng)部件在閥體外，操作維護(hù)方便。

d.錐形閥為雙軸驅(qū)動(dòng)套筒結(jié)構(gòu)，直徑對(duì)操作結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較小。活塞調(diào)流閥由單軸驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部活塞直徑越大，單桿驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性越差，直徑大于2萬(wàn)mm活塞式調(diào)流閥存在運(yùn)行穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。目前，我國(guó)最大的單軸驅(qū)動(dòng)活塞式調(diào)流閥直徑為1.8m，最大空型錐形閥的直徑為4m。

通過(guò)以上比較以看出，兩種調(diào)流閥各有優(yōu)缺點(diǎn)，直徑小于2m在線活塞式調(diào)流閥應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟。然而，大口徑活塞式調(diào)流閥存在操作穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，因此從結(jié)構(gòu)上看，錐形閥更適合作為大口徑調(diào)流閥?？招腻F形閥使用歷史悠久，技術(shù)成熟，早已為人們所熟知。然而，作為一種在線調(diào)流閥，它在工程中的應(yīng)用較少，其可行性也受到質(zhì)疑。以下詳細(xì)論證了錐形閥用于在線調(diào)流和消耗能量的可靠性。

33固定錐閥消能效果論證

3.錐形消能閥的技術(shù)性能

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3.1.1閥門(mén)的消能和耐氣蝕性

錐形消能閥作為在線式調(diào)流閥不但應(yīng)具有調(diào)流功能還應(yīng)具有良好的消能能力。在線式的錐形閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。從結(jié)構(gòu)圖上可以看出，在線式的錐形閥在出口加裝了速度導(dǎo)流器和能量導(dǎo)流裝置，保證消能閥具有良好的消能效果和抗氣蝕能力。

圖1 錐形閥結(jié)構(gòu)示意圖

錐形閥后面設(shè)有能量導(dǎo)流器，使出口高速水流與導(dǎo)流片碰撞，減少速度水頭和能量。未安裝能量導(dǎo)流器的錐形閥具有60%的消能率和90%的消能率。

消能閥最大的問(wèn)題是在前后壓差大、開(kāi)度小的情況下運(yùn)行時(shí)，出口高速流出，出口管壁容易發(fā)生氣蝕。固定錐閥后端為錐形結(jié)構(gòu)，使氣蝕部位不在噴嘴管壁上。通過(guò)設(shè)置在閥門(mén)后端的速度和能量導(dǎo)流器，氣蝕區(qū)域與閥體的金屬壁分開(kāi)，氣泡在閥體內(nèi)部破裂，而不是在閥體內(nèi)的金屬壁上破裂。同時(shí)，能量導(dǎo)流器可以避免閥門(mén)后端管道的氣蝕損壞。即使出口壓力為負(fù)壓，也能保證良好的耐腐蝕性。當(dāng)大壓差消能運(yùn)行時(shí)，允許的噴嘴流量可達(dá)16m/s，耐腐蝕指數(shù)可達(dá)0.15.耐氣蝕性好。

高壓差出口高速出口時(shí)，出口水流通過(guò)導(dǎo)流裝置快速混合，成為穩(wěn)定的層流，對(duì)閥后管道影響不大。增加速度導(dǎo)流器和能量導(dǎo)流裝置的在線調(diào)流錐閥，允許前后最大壓差為2MPa。

3.1.2 閥門(mén)的過(guò)流能力

當(dāng)消能閥處于高水頭時(shí)，盡可能減少水頭，當(dāng)?shù)退^時(shí)，需要更大的流量。因此，它不僅要有消除能力，而且要有更好的過(guò)流能力。過(guò)流能力取決于最大開(kāi)度下的流阻系數(shù)，消能固定錐閥最大開(kāi)度下的流阻系數(shù)為1.35~2。流阻系數(shù)與活塞式消能閥基本相同。

3.1.閥門(mén)的可靠性

固定錐形閥上有人孔，可通過(guò)人孔進(jìn)入閥體進(jìn)行維護(hù)，無(wú)需拆卸閥體。固定錐閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于閥體外，維護(hù)方便。固定錐閥的前端密封采用金屬硬密封，在閥的使用壽命內(nèi)無(wú)需更換。

錐形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)，運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)小，磨損少，可靠性高。

3.2錐閥模型試驗(yàn)

1989年，最早在美國(guó)放空的錐形閥Hartman該公司進(jìn)行了模型測(cè)試。1997年和1999年，在美國(guó)猶他州水能實(shí)驗(yàn)室完成了在線錐形閥模型測(cè)試DN試驗(yàn)測(cè)量150在線錐形閥的流量系數(shù)、阻力系數(shù)、消能率、氣蝕系數(shù)和補(bǔ)氣。主要試驗(yàn)結(jié)果如下：

a.出口最高流量達(dá)到16m/s，閥門(mén)無(wú)振動(dòng)。

b.帶速度導(dǎo)流器錐形閥全開(kāi)度下的流量系數(shù)為950，能量消除率為55%~65%，全開(kāi)度阻力系數(shù)為1.2.10%開(kāi)度阻力系數(shù)為100。

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c.帶速度和能量導(dǎo)流器錐閥全開(kāi)度下的流量系數(shù)為910，能量消除率為90%，全開(kāi)度阻力系數(shù)為1.5.10%開(kāi)度阻力系數(shù)為110(見(jiàn)圖2)。

圖2 帶能量導(dǎo)流器和速度導(dǎo)流器的錐閥排放系數(shù)曲線

d.能量導(dǎo)流器錐形閥的帶速和耐腐蝕系數(shù)達(dá)到3.5（見(jiàn)圖3）。

圖3 帶能量導(dǎo)流器和速度導(dǎo)流器的錐閥氣蝕性曲線

錐形閥的結(jié)構(gòu)分析和美國(guó)的模型試驗(yàn)報(bào)告證明，帶速度和能量導(dǎo)流器的錐形閥具有良好的能量消耗、耐腐蝕和流量調(diào)節(jié)性能，完全可行。

4 工程實(shí)例

據(jù)相關(guān)資料介紹放空型的錐形閥早在1940年在美國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)并投入使用，在線式錐形閥于1997年開(kāi)始研發(fā)并投入使用。2003年建設(shè)的臺(tái)灣高雄引水工程采用的調(diào)流設(shè)備是DN本工程已運(yùn)行多年，至今已運(yùn)行良好。

2008年，我院設(shè)計(jì)的越南達(dá)門(mén)采用DN3000錐通消能設(shè)施，3000錐閥已成功投入運(yùn)行。經(jīng)過(guò)多次技術(shù)分析論證，推薦觀音閣引水工程DN在線流量控制和消能閥采用2600錐形閥。

5 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)在線錐閥結(jié)構(gòu)和模型試驗(yàn)、技術(shù)性能參數(shù)分析和國(guó)內(nèi)外投入運(yùn)行項(xiàng)目的介紹，可以證明錐閥作為在線排氣閥完全可行，可推薦在大型引水工程中使用。