锥型阀在无压隧洞消能中的应用

2015-12-15韩志远

水利规划与设计 2015年5期

关键词：气蚀锥形导流

韩志远

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

锥型阀在无压隧洞消能中的应用

韩志远

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

当采用无压隧洞进行跨流域调水输水时，需要对水流进行控制及消能。无压隧洞的消能方式有洞外消能和洞内消能。其中洞内消能有锥形阀消能工等四种类型，本文通过辽宁省某重点输水工程中，锥型消能阀在无压隧洞内消能的应用，详细论述了锥形阀的设计及设计中需注意的问题，最终得出锥形阀消能工具有显著的优点值得在水利建设过程中推广应用。

无压输水隧洞；锥型阀；洞内消能

1 引言

当采用无压隧洞进行跨流域调水时，当在给水水库考虑多级取水时，通常隧洞首部为有压隧洞，隧洞内部水流蕴含极大的能量，这就对隧洞自身的结构、可靠度等提出了非常高的要求。为了防止隧洞因此而发生破坏，需要在隧洞首部增加消能措施，这对于水隧洞安全和降低造价极为有利。洞内消能与洞外消能相比，洞内消能可大大减小隧洞内部水流速度，避免洞内高速水流带来的不利影响。并可降低隧洞衬砌材料抗冲耐磨标准，从而降低工程造价。无压隧洞洞内消能一般有四种类型：孔板消能工、旋流式消能工、锥型阀消能工、无压隧洞内消力池消能工。

锥型阀消能工是在输水隧洞中联接一段管道，设置一个锥型阀门，当水流流过锥型阀时，通过锥型阀锥体的导向作用，使水流以辐射状扩散。水流在流向锥型阀下游时，以大角度扩散，通过锥阀与水流间的大面积摩擦，达到消能效果。

锥型阀消能工的主要组成为：芯轴、套筒、固定锥、导流罩、密封和驱动机构等。固定锥与进水管间通过芯轴上呈放射状的4～6片筋板支撑连接，进水管断面与椎体之间保持一定间距，套管套在筋板和主管外部，通过其前后移动改变对无管壁开放段的封闭长度，起到调节阀门开度的作用。

锥型阀消能工和传统消能工相比，具有以下优点：（1）锥型阀结构简单，能够与进水洞紧密结合，从而起到优化枢纽布置，降低工程投资。（2）能够灵活控制流量，在进行洞内消能的同时，还可调节控制洞内流量，在引水工程中广泛应用。（3）经过锥型阀消能后，下泄水流能量小，与下游能平稳衔接。因此在输水隧洞中设置锥型阀消能工消能，具有重要的意义。

2 工程概况

辽宁省某重点输水工程由进水口、有压隧洞、锥形消能阀、无压隧洞等部分组成。给水水库正常蓄水位301.14m，校核洪水位311.94m，下游正常水位260.94m，取水口后接有2条洞径为4.5m圆形压力隧洞。每条压力隧洞在末端分岔，每条压力洞分别与厂房内水轮发电机组和锥形消能阀相接，锥型阀的作用为当电站机组进行检修时，水流可以通过锥型阀进入下游，进行消能，提高了隧洞的供水保证率。水轮发电机组和锥形消能阀设备通过尾水洞与下游主洞相接。该输水工程的枢纽布置平面图如图1所示。

锥形消能阀与发电机组并列布置在地下厂房中。锥型阀的直径为2.4m，锥型阀安装高程均为254.00m，出口为淹没式出流，淹没深度为12.34m。锥型阀出口接压力尾水洞长60m，在距锥型阀出口23m处，设有尾水检修平板闸门。尾水洞断面尺寸为5.0m×5.0m（宽×高）。锥型阀细部结构图如图2所示。

图1 枢纽布置平面图

图2 锥型阀细部结构图

3 锥型阀的设计

3.1 阀门的消能和抗气蚀的能力

目前锥型消能阀一般在出口加装速度导流器和能量导流装置，保证消能阀具有更好的消能效果和抗气蚀能力。锥型阀后设能量导流器，使出口高速水流与导流片碰撞，消减速度水头和能量。未加装能量导流器的锥型阀，消能率为60%，加装能量导流器的锥型阀消能率达90%。固定锥型阀后端为锥型结构，使气蚀发生的部位不在喷管的管壁上，通过设在阀门后端的速度和能量导流器，使气蚀区域与阀体的金属壁分开，气泡在阀体的内部破裂，而不在阀体内金属壁破裂。同时，能量导流器可以避免阀门后端管道受气蚀的破坏。即使在出口压力为负压时，仍能保证良好的抗气蚀特性。大压差消能运行时，允许的喷管流速可达16m/s，抗气蚀指数可达0.15，具有较好的抗气蚀性能。在线式调流锥型阀，允许的前后最大压差为200m。因此完全可以采用锥型阀进行消能。

3.2 阀门的过流能力

消能型固定锥型阀最大开度下的流阻系数为1.35～2，本工程通过模型试验的方法，确定锥型阀的直径为2.4m。

3.3 阀门的可靠性

固定锥型阀阀门上设有人孔，不用拆卸阀体，即可通过人孔进入阀体进行维修。固定锥型阀驱动机构在阀体外部，维修方便。固定锥型阀的前端密封采用金属硬密封，阀门的寿命期内不需更换。

3.4 锥形阀消能率的验证

本工程通过模型试验来研究消能率的大小，消能率采用能量守恒定律，消能率数值大小采用锥形阀前后断面的能量差值与初始能量的比值来衡量。公式如式1～式3所示：