固定錐形閥常用結構特點及其排放系數探討

臧興華　袁邦　張希恒

摘 要：目前不少水電站為了保證機組停機檢修時，不使河流斷流，保護下游環境，需要固定錐形閥進行生態放流，要求有較高的排放系數，確保下游建筑物以及有壓管道經濟安全，節省投資資金。文章對固定錐形閥的常用結構特點進行對比分析，研究各種結構的排放系數，為今后固定錐形閥的選用提供參考依據。文章介紹了固定錐形閥常用結構特點，并對各結構的排放系數進行CFD計算對比分析。

關鍵詞：固定錐形閥；結構特點；排放系數

1 固定錐形閥的結構

固定錐形閥由閥體、導流筋片、固定錐和調節套筒等主要部件組成。采用不銹鋼制造的調節套筒通過導流筋片安裝在閥體上，執行機構帶動套筒的移動來調節閥門過流面積。用于水利工程大壩放空、水電站機組旁路、水利或水電灌溉水系統專門的流量調節閥。

目前應用最多的固定錐形閥的結構有不帶導流罩（見圖1）和帶導流罩兩種（見圖2），閥門出口的應用分大氣排放和淹沒排放兩種，因此就形成了以下四種組合：（1）對空排放，無導流罩；（2）對空排放，有導流罩；（3）淹沒出流，無導流罩；（4）淹沒出流，有導流罩。

2 固定錐形閥的特點

固定錐形閥對空排放的特點是其出口高速水流呈傘狀射入大氣中，通過與大氣的接觸和摩擦作用，大量的空氣與噴射水流相互混摻，水流呈霧化狀態，同時由于空氣阻力的作用使水流速度迅速減小，噴出一定距離后落入下游水池或河道中。排空形式的固定錐形閥安裝形式，操作和安裝簡單，因出口水流噴射距離較遠，適用于下游有較大空間尺寸的場所。

固定錐形閥淹沒出流的特點是閥后的出口高速水流排入下游的消能池中，流動狀態由急流變為緩流，依靠水躍消能的作用，動能又迅速轉化為位能，經過一段距離后能量得到消除。常在消能池中設置輔助的消能工，提高效能效果，減少水流對消能池壁的沖擊。適用于較小空間尺寸的場所。

固定錐形閥出口增設導流罩可收縮水流，減少水流噴射面積，但在高壓差工況下會帶來氣蝕，振動、噪音等問題。

3 固定錐形閥的排放系數比較分析

排放系數是表示閥門過流能力的一個常量，是固定錐形閥設計選型的重要參數。行業標準中對排放系數的定義如下：

式中：H0-閥前總水頭，包括靜壓和動壓（速度水頭），m；P-閥后靜壓，m；A-閥門進口過流面積，m2；Q-通過閥門的流量，m3/s。

對同一口徑固定錐形閥的四種組合，通過Ansys Fluent軟件，采用基于壓力基的分離式求解器進行迭代計算，求解方法及控制參數設置如表1所示，分別計算各個開度下的閥前總水頭H0、閥后靜壓P和過閥流量Q代入式（1）中求得排放系數，整理的曲線如圖3所示。

從圖3分析得出：

（1）是否設置導流罩對排放系數的影響較大，但是在對空排放和淹沒排放的對比看，排放系數差別不大。

（2）四種組合的排放系數在60%開度之前差異不大，之后的差別才明顯。

（3）在有導流罩的結構下，最大的流量并不是出現在全開狀態，而是大約在90%的開度下流量最大，這是因為在有導流罩的情況下，紊流加劇，且在全開狀態下紊流嚴重影響了流量，這樣全開下反而流量下降了。在無導流罩的情況下，全開的紊流也有影響到流量，因此曲線斜率下降。

4 結束語

不同結構的固定錐形閥的排放系數在開度60°以下區別不大，在更大開度時才有明顯區別。無導流罩結構的固定錐形閥對出口排放的空間要求高，帶導流罩結構的固定錐形閥對出口排放的空間要求低，因此針對各項目的實際情況，對固定錐形閥進行合理經濟的選用。文章對固定錐形閥的選用，在實際工程應用中具有重要的指導意思。