長距離引水中常設(shè)有調(diào)流消能閥。目前,小口徑調(diào)流閥應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟,大口徑的調(diào)流閥應(yīng)用較少。本文通過對錐形閥和活塞閥兩種形式調(diào)流閥的比較,以及對錐形閥結(jié)構(gòu)和消能效果的分析論證,證明大口徑調(diào)流閥采用錐形閥是完全可行的,這為在線式大口徑調(diào)流閥型式選擇提供了參考性建議。

1、概述

　　近幾年，隨著我國城市工業(yè)迅速發(fā)展，以及國家對水利基礎(chǔ)建設(shè)的重視，長距離、跨流域、大規(guī)模調(diào)水工程陸續(xù)上馬。長距離的調(diào)水工程都存在調(diào)水流量變化大或水源水庫水位變化大的特點(diǎn)，由此造成輸水末端在小流量或水源水庫高水位時(shí)，不但需要調(diào)流還需要消去富余水能，所以，在長距離引水中都常設(shè)有調(diào)流消能閥。我國已建的南水北調(diào)、山西引黃、黑龍江磨盤山引水工程均設(shè)有調(diào)流閥，但在以上大型引水工程中使用的最大調(diào)流閥直徑為1800mm。直徑大于2000mm的調(diào)流閥在國內(nèi)大型引水工程中尚未有使用先例，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為大口徑調(diào)流閥在大型引水工程中應(yīng)用的可靠性有待研究。

2、活塞式調(diào)流閥和錐形閥比較

　　目前，比較常用的調(diào)流消能閥主要有活塞式和固定錐形兩種�；钊�式調(diào)流閥的運(yùn)動(dòng)部件為活塞，流量調(diào)節(jié)是通過活塞軸向運(yùn)動(dòng)，改變活塞與外套筒間的過流面積實(shí)現(xiàn)的。錐形閥的運(yùn)動(dòng)部件為外套筒，流量調(diào)節(jié)是通過外套筒軸向運(yùn)動(dòng)，改變固定錐與外套筒間的過流面積實(shí)現(xiàn)調(diào)流的。

　　錐形閥與活塞閥比較，具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

　　a.消能型活塞式調(diào)流閥的節(jié)流部件為網(wǎng)狀或條形開孔運(yùn)動(dòng)部件，輸送原水在小開度運(yùn)行時(shí)易堵塞。錐形閥過流為環(huán)狀開孔部分，輸送原水不易堵塞。

　　b.活塞閥消能部件與調(diào)流部件布置緊湊，閥體尺寸小。錐形閥的消能與調(diào)流分開布置，閥體尺寸較長。

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

　　d.錐形閥為雙軸驅(qū)動(dòng)外套筒結(jié)構(gòu)，直徑大小對操作結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響小。活塞式調(diào)流閥為單軸驅(qū)動(dòng)內(nèi)部活塞，內(nèi)部的活塞直徑越大，單桿驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性越差，所以直徑大于2000mm的活塞式調(diào)流閥存在操作運(yùn)行穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。目前，在國內(nèi)投入使用的最大單軸驅(qū)動(dòng)的活塞式調(diào)流閥直徑為1.8m，而最大放空型錐形閥直徑為4m。

　　通過以上比較可以看出，兩種型式調(diào)流閥各有優(yōu)缺點(diǎn)，直徑小于2m的在線式活塞式調(diào)流閥應(yīng)用較多，技術(shù)成熟。但大口徑活塞式調(diào)流閥存在操作穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，所以從結(jié)構(gòu)上看，錐形閥更適合作為大口徑調(diào)流閥應(yīng)用。放空型錐形閥使用歷史悠久，技術(shù)成熟，已早被人們所熟知。但作為在線調(diào)流閥，在工程上應(yīng)用較少，其可行性也備受質(zhì)疑，下面對錐形閥用于在線調(diào)流消能的可靠性做詳細(xì)論證。

3、固定錐形閥消能效果論證

3.1、錐形消能閥技術(shù)性能

　　3.1.1、閥門的消能和抗氣蝕的能力

　　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

　　錐形閥后設(shè)能量導(dǎo)流器，使出口高速水流與導(dǎo)流片碰撞，消減速度水頭，消減能量。未加裝能量導(dǎo)流器的錐形閥，消能率為60%，加裝能量導(dǎo)流器的錐形閥消能率達(dá)90%。

　　消能閥最大的問題是在前后大壓差小開度條件下運(yùn)行時(shí)，出口高速出流，出口管壁易氣蝕。固定錐形閥后端為錐形結(jié)構(gòu)，使氣蝕發(fā)生的部位不在噴管的管壁上，通過設(shè)在閥門后端的速度和能量導(dǎo)流器，使氣蝕區(qū)域與閥體的金屬壁分開，氣泡在閥體的內(nèi)部破裂，而非在閥體內(nèi)金屬壁破裂，同時(shí)，能量導(dǎo)流器可以避免閥門后端管道受氣蝕的破壞。即使在出口壓力為負(fù)壓時(shí)，仍保證良好的抗氣蝕特性。大壓差消能運(yùn)行時(shí)，允許的噴管流速可達(dá)16m/s，抗氣蝕指數(shù)可達(dá)0.15，具有較好的抗氣蝕性能。

　　大壓差出口高速出流時(shí)，通過導(dǎo)流裝置，使出口水流迅速混合，變成穩(wěn)定的層流，對閥后管道影響較小。加設(shè)速度導(dǎo)流器和能量導(dǎo)流裝置在線式調(diào)流錐形閥，允許的前后最大壓差為2MPa。

　　3.1.2、閥門的過流能力

　　消能閥在高水頭時(shí)，盡可能消減水頭，而在低水頭時(shí)，又需要過更大的流量。所以，既要有消能能力，又要有較好的過流能力。過流能力取決于最大開度下的流阻系數(shù)，消能型固定錐形閥最大開度下的流阻系數(shù)為1.35～2。與活塞式消能閥的流阻系數(shù)基本一樣。

　　3.1.3、閥門的可靠性

　　固定錐形閥閥門上設(shè)有人孔，不用拆卸閥體，即可通過人孔進(jìn)入閥體進(jìn)行維修。固定錐形閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在閥體外部，維修方便。固定錐形閥的前端密封采用金屬硬密封，閥門的壽命期內(nèi)不需更換。

　　固定錐形結(jié)構(gòu)簡單，整個(gè)結(jié)構(gòu)完全對稱，運(yùn)行穩(wěn)定好，振動(dòng)小，磨損少，可靠性較高。

3.2、錐形閥模型試驗(yàn)

　　放空型錐形閥最早于1989年在美國Hartman公司進(jìn)行模型試驗(yàn)。在線式的錐形閥于1997年和1999年在美國猶他州水能實(shí)驗(yàn)室完成了在線式的錐形閥模型試驗(yàn)，對DN150的在線式錐形閥的流量系數(shù)、阻力系數(shù)、消能率、氣蝕系數(shù)、補(bǔ)氣進(jìn)行試驗(yàn)測定。主要試驗(yàn)結(jié)果如下：

　　a.出口最高流速達(dá)到16m/s，閥門無振動(dòng)。

　　b.帶速度導(dǎo)流器錐形閥全開度下的流量系數(shù)為950，能量消除率達(dá)到55%～65%，全開度阻力系數(shù)為1.2，10%開度阻力系數(shù)為100。

　　c.帶速度和能量導(dǎo)流器錐形閥全開度下的流量系數(shù)為910，能量消除率達(dá)到90%，全開度阻力系數(shù)為1.5，10%開度阻力系數(shù)為110(見圖2)。

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

　　d.帶速度和能量導(dǎo)流器錐形閥的抗氣蝕系數(shù)達(dá)到3.5(見圖3)。

圖3 帶能量導(dǎo)流器和速度導(dǎo)流器的錐形閥氣蝕性能曲線

　　對錐形閥的結(jié)構(gòu)分析以及美國的模型試驗(yàn)報(bào)告證明帶速度和能量導(dǎo)流器的錐形閥具有較好的消能、抗氣蝕及流量調(diào)節(jié)性能，作為在線式調(diào)流閥是完全可行的。

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年在美國開始生產(chǎn)并投入使用，在線式錐形閥于1997年開始研發(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DN2600的在線式錐形調(diào)流閥，該工程已運(yùn)行多年，至今運(yùn)行良好。

　　2008年，我院設(shè)計(jì)的越南達(dá)門采用DN3000錐形閥作為電站旁通消能設(shè)施，設(shè)備已成功投入運(yùn)行。經(jīng)過多方技術(shù)分析論證，觀音閣引水工程推薦采用DN2600的錐形閥作為在線式流量控制及消能閥。

5、結(jié)論

　　通過以上對在線式錐形閥的結(jié)構(gòu)和模型試驗(yàn)、技術(shù)性能參數(shù)分析研究以及國內(nèi)外已投入運(yùn)行工程的介紹，可以證明錐形閥作為在線式調(diào)流閥是完全可行的，可以在大型引水工程中推薦使用。