某重點輸水工程取水首部調流消能閥模型試驗研究

林億群

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

如何確定輸水工程調流消能閥的設計指標是否滿足工程需求，是工程設計建設的難點和重點問題[1]。近些年來，國內學者針對輸水工程消能閥的性能研究取得一定的研究成果[2-7]，但是針對大口徑調流消能閥的研究還相對較少，尤其是在工程取水首部位置的研究國內還未見到相關成果。在水利工程消能設計領域研究中，仿真試驗被認定為一種較為行之有效的方式[8-13]。遼寧省某重點輸水工程取水首部選用DN2400大口徑調流消能閥，該類型口徑消能閥在國內沒有實際應用先例，為此采用仿真模型試驗的方法，對原型機大口徑調流消能閥進行仿真模型試驗，從而確定設計的大口徑的調流消能閥是否可以達到設計指標要求。研究成果對于國內輸水工程尤其是取水首部大口徑調流消能閥設計具有重要的參考價值。

1 調流消能閥設置及運行情況

省重點輸水工程取水首部設置一處消能建筑物，在該消能建筑物中裝有兩臺水輪發電機組和兩臺DN2400調流消能閥，該消能閥安裝于消能電站地下廠房內，出口為一段有壓隧洞接無壓隧洞，采用固定錐形閥加導流罩結構，起調流消能的作用。該消能閥最大壓差為48.42m，閥門安裝高程為254m，尾水水位為262.19～265.94m。其主要工作參數見表1。

表1 省重點輸水工程取水首部調流消能閥運行工況參數表

2 模型試驗方法

本模型試驗主要參照標準為SL 155—95《水工(常規)模型試驗規程》和SL 498—2010《錐形閥參數、型式與技術條件》。

2.1 主要試驗項目和儀器設備

(1)實驗項目為對調流消能閥及導流罩進行流動試驗，驗證各開度下過流能力、各開度下的消能率、典型工況下的振動和噪聲、典型工況下的壓力脈動和各種工況下的補氣情況。

(2)主要儀器設備為精密壓力表、電磁流量計、測振儀聲級計、氣體渦街流量計、照相機、攝像機、水泵、電機等。

2.2 主要測量儀器布置與檢測方法

(1)在閥門前設置一個電磁流量計。

(2)在閥門前放置一個精度較高的壓力測定儀器，P作為其儀器的標號；儀器標號為P1的放置在閥門出口位置；標號為P2和P3的兩塊壓力表，分別放置在閥門的導流罩位置；編號標注為P4和P5的壓力表分別安裝在距離閥門導流罩上部200mm及1000mm位置的雙法蘭短管上。

(3)使用測振儀沿管道方向檢測閥門垂向位移，在閥體筒上檢測閥門徑向位移。

(4)在距離閥門進口1m處，使用測振儀聲級計檢測閥門的噪音分貝。

(5)在補氣管進口安裝氣體渦街流量計，檢測閥門運行過程中補氣情況，同時安裝精密壓力表，檢測該點壓力并監測是否出現負壓。

2.3 試驗技術路線

本模型試驗依據雷諾相似準則、歐拉相似準則設計，模型原型采用TS614H2400-10固定錐型調流消能閥，選定模型幾何比尺近似1∶9.6，模型閥型規格選定為DN250PN10、匹配導流罩，導流罩及出口管道采用全透明有機玻璃制作。調流消能閥按照幾何尺寸進行原型模型設計，重要部位尺寸設計要按照模型設計進行原有尺寸的保證，在邊界相似條件的原則上對閥門模型結構及相應技術參數指標進行確定，在滿足功能條件的基礎上，對閥門的邊界條件及結構參數按照相似準則進行尺寸上的適當調整。采用揚程較高的供水泵進行模型供水試驗，供水流量通過電磁流量計進行閥門流量的計量控制，旁通管可以安裝在閥門入口進行分流試驗，閥門前的壓力通過調節閥門控制閥進行調節穩定，閥門前的水深通過循環抽水方式進行控制。閥門測試壓力與原型機保持一致(部分工況點由于水泵容量不夠而出現少量差異)，測試結果可直接評估氣蝕情況，無須換算。流量系數、流量需根據比例尺進行相應換算。

3 試驗步驟

(1)各接管按照試驗設定的路線進行布設，對各接口及試驗管路進行檢測，錐形閥前面水面淹沒的高度設置為8m。

(2)消能閥前面的壓力穩定值設置為57m，在不同閥門開度下對其出口壓力、水流能力、出口壓力變動、噪聲等指標進行測定。開度從10%到100%，每次增加10%的開度。

(3)在閥前23m水頭下，求100%開度下閥門的最大流量能否達到0.41m3/s(最大流量系數點)。

(4)在以下三個工況下，測量閥門出口壓力、補氣量、噪聲、振動加速度、出口壓力脈動。三個工況分別為：在閥前57m及過閥流量0.108m3/s的條下(最小壓差點)；在閥前46m及過閥流量0.108m3/s的條件下(最大流量系數點)；在閥前42m及過閥流量0.488m3/s的條件下(最大流量點)。

3.1 DN2400PN10調流消能閥性能換算

3.1.1流量系數

(1)換算公式

依據雷諾相似準則、歐拉相似準則設計，模型原型采用TS614H2400-10固定錐型調流消能閥，選定模型幾何比尺近似為1∶9.6，依據公式如下：

(1)

(2)DN2400PN10調流消能閥流量系數

根據公式(1)和已知的DN250PN10調流消能閥流量系數得出DN2400PN10調流消能閥流量系數，見表2。

表2 DN250PN10與DN2400PN10調流消能閥總流量系數

3.1.2特定工況的流量系數

流量系數計算公式如下：

(2)

(1)最小壓差點工況

依據表1摘錄該工況下數據，見表3。

表3 最小壓差點工況

(2)最大流量系數點工況

依據表1摘錄該工況下數據，見表4。

表4 最大流量系數點工況

(3)最大流量點工況

依據表1摘錄該工況下數據，見表5。

表5 最大流量點工況

3.2 各工況條件下的調流消流閥消能率計算

消能率計算基于以下公式：

(3)

式中，E1—閥前測壓點的流體全能量，mH2O；E2—閥最后一個測壓點的流體全能量，mH2O；P1—閥前測壓點靜壓，mH2O；P2—閥最后一個測壓點靜壓，mH2O；V1—進口速度，m/s；V2—出口速度，m/s。

(4)

式中，Q—管道流量，m3/s；D1—閥門進口直徑，m，D1=0.25m。

(5)

式中，D2—閥門出口直徑，m，D2=0.52m。由公式3可得以下各工況點消能率，結果見表6。

表6 各工況點消能率計算結果

依據Cv值的計算公式，假定閥后靜壓為零，導出消能率的計算公式如下：

(6)

4 試驗結果討論

由DN250PN10調流消能閥模型試驗得出的開度-流量系數曲線(圖1中試驗測試)，可看出10%～70%開度時流量系數成近似線性關系，70%開度時流量系數最大，開度大于70%之后流量系數反而減小。

通過三維軟件建立與試驗閥門一樣的三維模型，運用CFD軟件進行分析，得到的開度-流量系數曲線(圖1中CFD閥+罩)與試驗閥門的開度-流量系數曲線結果相互印證，且得出以下結論：

(1)CFD軟件分析結果與試驗結果接近；

(2)兩者趨勢相同，且均在70%開度達到最大值；

(3)單獨對閥(不含導流罩)進行分析，曲線的線性度更好(圖1中CFD閥)。

圖1 模型試驗方法與CFD方法的開度-流量系數曲線對比試驗結果

4.1 閥門開度達到70%后，流量系數曲線逐步趨于穩定變化

閥門開度按照簡化的三角幾何函數進行確定后，可以推算出其閥門口徑是閥門開口長度的2.18倍，閥門進口和出口面積相同，而在實際過程中受到套筒等性能影響，兩個指標之間的倍數關系會有所偏離，DN250模型閥行程總距離可以達到152mm，當0.5倍的閥門通徑達到閥門開口長度125mm時，閥門密封5mm空隙可以達到0.4256倍的閥門通徑。

S進口面積=2502×π/4=49087mm2；

S套筒過流面積=(125+67.5)×81.3×π=49166mm2；

S套筒匝過流面積=(135+84.3)×71.7×π=49398mm2。

此時，S套筒匝過流面積>S套筒過流面積>S進口面積。若行程繼續加大，受套筒過流面積的限制，流量系數不會加大，具體示意如圖2所示。

圖2 DN250PN10模型閥進出口面積示意圖(單位：mm)

由此可見：

①當開度為70%的DN250閥門總行程達到106.4mm時，閥門出口處于閉流狀態，套筒決定其水流過水能力。

②閥門開口和行程倍率值分別達到0.5倍和0.4256倍，后期閥門厚度以及規格有所變化，但不是穩定變化的。

③模型試驗與計算值吻合度高，最大流量出現在開度為70%時。

4.2 流量特性曲線出現變異點

當閥門行程和開度過高時，套筒匝的節流能力有所減弱，從而對水流狀態產生干擾和影響，水流過流能力得到降低。

4.3 特性曲線線性度改變的原因

(7)

因此，調流消能閥與導流罩串聯后，整體的流量系數符合上述公式，若調流消能閥流量系數是線性的，則整體的流量系數變成一條外凸的曲線。由此該模型閥達到了設計要求，可以安全、可靠運行。

5 結語

(1)消能閥行程和開口過高，套筒匝不再受行程改變而產生節流作用，反而對水流狀態產生干擾和影響，從而降低過水能力。

(2)調流消能閥在實際運行時消能率僅由工況確定，給定工況就可以由公式計算出其消能率，實際消能效果和運行參數可以通過調節開度達到。

(3)開度為10%～70%時，調流消能閥流量系數成近似線性關系，開度為70%時流量系數最大，開度大于70%之后流量系數將會減小。