高水頭大流量水利固定錐型閥設(shè)計選型試驗

高水頭大流量水利固定錐型閥設(shè)計選型試驗

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






1高水頭大流量水利固定錐型閥設(shè)計選型試驗引言


固定錐型閥（簡稱錐型閥）在水利工程應(yīng)用的過程中，具有適應(yīng)大流量和高水頭的優(yōu)勢，同時還具有在承壓承流范圍內(nèi)無振動以及無氣蝕特點的排氣閥門，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，近年來已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我國各個水利工程中。然而，從整體上來看，我國對于錐型閥的應(yīng)用還比較少。目前，我國水利工程中的閘門形式比較多樣，主要有弧形閘門、平板閘門、錐型閥以及蝶閥等。在選取底孔工作閘類型的過程中，由于一些不合理因素的存在，會在很大的程度上影響設(shè)計中功能的實現(xiàn)。錐型閥作為超過水頭大口徑泄水設(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，模型試驗以及應(yīng)用試驗等方面出發(fā)，對排放閥的空蝕、振動、流量系數(shù)以及補(bǔ)氣等問題展開研究和分析。


 在水利水電建設(shè)工程中,錐形閥通常作為水庫、灌溉的泄水設(shè)備,其具有結(jié)構(gòu)簡單,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)計水頭高、易于電動手動等特點。錐形閥一般設(shè)置在泄水管道的末端,利用它的啟閉來放水以滿足灌溉、放空水庫、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)計選型試驗模型試驗分析

2.1試驗的內(nèi)容


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


2.2試驗原理


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作，帶動外套筒上下動作，達(dá)到閥門的啟閉目的。它廣泛應(yīng)用于水利、水電、水庫等工程上。

　　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)置為淹沒式出流，側(cè)水下的消能也很簡單。

2.3測試的系統(tǒng)


在測量閥門流量時，采用電磁流量。在測量閥門壓力時，采用壓力傳感器。閥體震動的測量主要是通過加速傳感器進(jìn)行測量和獲得的。加速傳感器主要位于閥體的軸向、垂直及徑向水平，同時對閥體振動進(jìn)行測量。在對壓力展開測量的過程中，對進(jìn)口和出口的位置應(yīng)適當(dāng)，不應(yīng)過近，也不應(yīng)過遠(yuǎn)，否則均會影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通常情況下，水流流動是不會受到流道、環(huán)境以及閥門運(yùn)行等因素的干擾的，因而測試值可以代表真實流態(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，其會直接排入大氣中?？紤]這一因素，在對進(jìn)出口壓力展開測量的過程中，選取的測量斷面是閥體前和閥體后1倍的直徑處。本研究的測試系統(tǒng)所選取的測量內(nèi)容、傳感器型號及精度等。




3高水頭大流量水利固定錐型閥設(shè)計選型試驗模型試驗結(jié)果


在試驗的過程中，主要是在70m水頭下展開的，并且主要在三種工況下進(jìn)行試驗。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。在對閥門開度進(jìn)行控制的過程中，開度主要有10%階梯上升至99%。與此同時，對閥門流量、壓力以及振動等信號進(jìn)行采集。最后繪制關(guān)系曲線，包括閥門開度與排放系數(shù)、閥體振動等的關(guān)系圖。


3.1兩種配置的對比結(jié)果


通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的測試和計算結(jié)果，對種工況和第三種工況的閥門開度與排放系數(shù)的關(guān)系曲線進(jìn)行了繪制。通過圖1得出以下三個結(jié)論：


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

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

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

3.2補(bǔ)氣對振動的影響


結(jié)合和的結(jié)果，可主要得出以下結(jié)論：


，當(dāng)閥門開度在30%以下時，補(bǔ)氣工況下，閥體垂直、軸向上的振動均大于沒有補(bǔ)氣的工況。在補(bǔ)氣工況下，徑向振動小于沒有補(bǔ)氣的工況。

第二，當(dāng)閥門開度在40%以上時，補(bǔ)氣工況下的閥體振動均低于沒有進(jìn)行補(bǔ)氣的工況。也就是說，閥門開度較大時，為降低閥體振動，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，上述試驗結(jié)果也進(jìn)一步說明，在改善閥門內(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)計選型試驗模型的應(yīng)用


通過上述模型試驗結(jié)果顯示，配置導(dǎo)流罩的錐型閥時，其在排放流水的過程中，優(yōu)勢在于排放系數(shù)高且會起到更好的擴(kuò)散流水的作用。與此同時，對下游的沖刷影響也比較小，因而在閥門運(yùn)行的穩(wěn)定性方面更具優(yōu)勢。除此之外，也會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。某水庫補(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)場試驗?，F(xiàn)場試驗的原理同上。但現(xiàn)場試驗也與理論研究也存在一定的區(qū)別，即在模型試驗和測試系統(tǒng)構(gòu)成方面有一定的差異，其差異主要在于現(xiàn)場試驗的過程中，由于閥門出口側(cè)沒有辦法布置壓力傳感器，因而在計算的過程中，出口側(cè)壓力采用的是大氣壓。在試驗的過程中，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試驗。在分析的過程中，主要是通過繪制關(guān)系曲線示意圖的方式進(jìn)行對比分析。




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：


，閥門開度和排放系數(shù)關(guān)系密切。為提高泄水的效率，應(yīng)在閥門大開度運(yùn)行時進(jìn)行控制。

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

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

4.2振動及穩(wěn)定性分析


結(jié)合中的數(shù)據(jù)結(jié)果，得出以下結(jié)論：，閥體振動隨著閥門開度的增加，變化趨勢為N字形，原型與模型的變化趨勢是一致的。第二，補(bǔ)氣能夠改善閥體的振動水平，尤其是對原型?？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)計選型試驗結(jié)論


本研究從固定錐形閥在水利工程中的應(yīng)用著手，并以某水庫補(bǔ)水工程作為現(xiàn)場試驗的對象，對比模型試驗和現(xiàn)場原型試驗的效果，以探究固定錐形閥在運(yùn)行的過程中空蝕、振動以及穩(wěn)定問題。通過探究主要得出以下結(jié)論：，在固定錐形閥應(yīng)用的過程中，其在大開度下排放系數(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，抑制氣蝕問題等方面，適當(dāng)補(bǔ)氣是有效手段，應(yīng)予以重視。