超大直径锥形阀在牛栏江-滇池补水工程的应用研究

2016-10-14韩云峰焦达先潘罗平曹登峰

大电机技术 2016年5期

韩云峰，焦达先，潘罗平，曹登峰

韩云峰1，焦达先1，潘罗平2，曹登峰2

（1. 云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）

牛栏江—滇池补水工程水库排空超大直径锥形阀工作水头超过160m，喷管直径达2800mm，是目前国内水利工程应用直径最大，工作水头最高的锥形阀。本文介绍了该锥形阀的选型设计、模型试验、现场试验，并对锥形排放阀的排放系数、空蚀、振动、补气等问题进行了探讨。

超大直径；锥形阀；补水工程

0 前言

在我国水利水电工程中，水库大坝底孔出口通常设置弧形闸门、平板闸门、闸阀、蝶阀、锥形阀等，用于水库泄洪、放空、冲沙和向下游放生态用水等。闸门（阀）的选择形式多样，在工程实践中，某些工程底孔工作闸（阀）的选型存在一些不合理的因素，致使运行时出现各种各样的问题，导致设计要求的功能不能实现。

锥形阀最早由美国的亨利普安在1926年发明，后应用于水利水电工程的泄流消能。我国最早在山西省汾河水库工程上采用锥型阀（直径2200mm）作为泄水设备，在1960年就已投产使用[1]。目前国内水利水电工程中，宜兴抽水蓄能电站采用锥形阀进行下库的放空、泄洪、导流。甘肃崆峒水库改平板闸门为锥形阀进行输水，但总体来说锥形阀在国外水利水电工程上应用较为普遍，技术较为成熟，但在我国的应用并不多[2]。

德泽水库枢纽作为牛栏江—滇池补水工程的龙头，为了及时、可靠地泄放下游生态流量，工程采用了锥形阀（DN2800）作为水库发电-放空隧洞的泄水设备，其最大工作水头165m，喷管直径2800mm，属超高水头大口径泄水设备，在国内水利工程属首次应用。锥形阀的运行安全与稳定性是参建各方极为关注的问题。本文从通过对锥形阀的选型比较，模型试验和现场验证试验等，对锥形排放阀的流量系数、空蚀、振动、补气等问题进行了探讨[3]。

1 模型试验分析

为研究锥形阀的排放系数，以及运行中的空蚀和振动等问题，在喷管直径为288mm的锥形阀模型上进行了试验，试验内容包括：（1）针对锥形阀常见的两种出口配置（直管段和导流罩），对比两种配置对阀门排放性能的影响；（2）针对由于高速水流可能引发的气蚀问题，研究补气与否对阀门振动及稳定性的影响[4]。

图1 锥形阀两种出口配置（左侧为直管段，右侧为导流罩）

1.1 试验原理

阀门的排放系数是衡量阀门流通能力的重要指标，排放系数数值越大，说明流体流经阀门时的压力损失越小，阀门排放性能越好[5]。排放系数C由式1计算得到。

阀门前后静水头Δ由式2计算得到。

式中，为阀门流量，m3/s；v，0为阀门进、出口流速，m/s；A，o为阀门进、出口断面面积，m2；p，o为阀门进、出口压力，Pa；Z，o为阀门进、出口中心高程，m。

1.2 测试系统

试验中，阀门流量由电磁流量计测得，阀门压力由压力传感器测得，阀体振动由加速度传感器测得。测试系统组成结构如图2所示。

图2 试验测试系统示意图

测试系统中，加速度传感器分别布置于阀体上部垂直、轴向水平、径向水平三处，测试阀体的振动。对压力测量断面的选择，进出口测量位置不宜离阀体过远，否则流道压力损失将导致测量误差过大；测量位置处的水流流动受流道、阀门运行、环境的干扰应尽量小，以保证测试值能代表测量断面的真实流态；进而考虑到锥形阀进口侧压力管道大部分深埋在水工主体内，出口侧水流在经过导流罩或直管段后直接排入大气中，最终确定进出口侧的压力测量断面为阀体前后各1倍直径处。

试验测试系统中所使用的传感器型号及相关参数见表1：

表1 传感器型号及测试参数一览表

1.3 试验结果

试验在70m水头下进行，配直管段（未补气）、配直管段（补气）、配导流罩（未补气）三种工况下，控制阀门开度由10%阶梯上升至100%，同步采集阀门流量、压力、振动等信号，计算不同开度下的阀门排放系数，绘制排放系数、振动与阀门开度的关系曲线。其中，振动信号的混频幅值取值方法采用97%置信度的混频峰峰幅值。

1.3.1 两种配置对比结果

根据测试数据与计算结果，绘制出在配直管段（未补气）和配导流罩（未补气）两种工况下的阀门开度与排放系数关系曲线，如图3所示。从图中可以看出：

（1）阀门排放系数随阀门开度的增加而增大，且在开度80%以后趋于稳定；

（2）在阀门开度30%以下时，配直管段的阀门排放系数要高于配导流罩；

（3）而阀门开度40%以上时，配导流罩的阀门排放系数要更高。

图3 阀门开度与排放系数关系曲线（直管段与导流罩对比）

1.3.2 补气对振动的影响

根据测试结果，汇总在配直管段（未补气）和配直管段（补气）两种工况下的阀门开度与振动数据关系表，见表2。从表中可以看出：

（1）30%开度以下时，补气工况下的阀体垂直振动、轴向振动要大于未补气工况，而径向振动小于未补气工况；

（2）40%开度以上时，补气工况下的阀体振动均小于未补气工况。

可见大开度工况下，补气明显改善了阀体的振动与稳定性，这也从侧面反映出补气改善了阀门内部流体的压力分布，抑制了气蚀的发生。

表2 阀门开度与阀体振动关系表（补气与未补气对比）

图4 阀体垂直振动与阀门开度关系曲线（补气与未补气对比）

2 现场试验验证

模型试验结果表明，配置导流罩的锥形阀在排放水流时，更易于扩散水流，排放系数较高，对下游冲刷影响较小，更利于阀门运行稳定；同时也加大了水流与空气的摩擦力度，因此消能效果更佳。牛栏江-滇池补水工程最终采用了配置导流罩的锥形阀，结构示意图如图5所示。

1-进口管，2-驱动油缸，3-喷管，4-滑套筒，5-导流罩

为进一步研究锥形阀的排放特性，验证该阀门在实际运行中的工作特性，开展现场验证试验。试验原理同1.1，测试系统构成与模型试验唯一不同的是，现场锥形阀出口侧无法布置压力传感器，考虑到锥形阀在泄水时直接排入大气，故在数据处理中出口侧压力以大气压计算。试验在123m水头下进行，补气与未补气两种工况下，调节阀门开度，同步采集阀门流量、压力、振动等信号，计算不同开度下的阀门排放系数，绘制排放系数、振动与阀门开度的关系曲线，并与模型试验结果做出对比。

2.1 补气效果分析

根据试验结果，对比锥形阀原型和模型的排放系数与阀门开度关系图，如图6所示。从图中可以看出以下几点：

（1）排放系数随阀门开度的增大而增大，原型与模型一致；因此应尽量控制阀门在大开度下运行，提高泄水效率；

（2）补气与否对原型的排放系数影响不大，在50%开度以上时补气工况下的排放系数略大；

（3）40%开度以上时，模型的排放系数高于原型排放系数。

图6 补气对阀门排放系数的影响（原型与模型对比）

2.2 振动与稳定性分析

根据试验结果，仍以阀体垂直振动为例，对比锥形阀原型与模型的振动和阀门开度关系图，如图7所示。从图中可以看出：

图7 补气对阀门振动的影响（原型与模型对比）

（1）阀体振动随开度成“N”字形变化，即小开度时，阀体振动随开度的增加而增大，随后开度的增加而减小；大开度时，振动随开度的增加有所增大，原型与模型的变化趋势一致，但原型的振动增大较小。

（2）补气可明显改善阀体振动水平，尤其对原型阀，在各开度下，补气工况下的阀体振动均小于未补气工况。

可见为了锥形阀的运行稳定，应在其运行时提供及时必要的补气措施。

3 总结与展望

本文从锥形阀在水利水电工程上的应用入手，针对牛栏江-滇池补水工程所采用的高水头、大尺寸的锥形阀，通过模型试验、现场原型试验的方式，深入研究了锥形阀在运行中的空蚀、振动及稳定性问题，得到以下结论：

（1）锥形阀在大开度下的排放系数较高，排放性能较好，实际运行中应尽量控制阀门在大开度下运行；

（2）在投资成本许可的前提下，为锥形阀配置导流罩，可提高消能效果，减小对下游的冲刷，有助于锥形阀的运行稳定；

（3）补气能减小锥形阀运行时的阀体振动，抑制气蚀的产生与破坏，更有利于锥形阀的运行安全，实际运行中应提供及时有效的补气措施。

DN2800超大直径锥形阀在牛栏江-滇池补水工程的应用，体现了锥形阀在水利工程的泄流、消能布置中的优势，即投资成本低、结构布置简单、操作维护方便、消能效果好，值得进一步推广。另外，锥形阀在运行中的空蚀、振动问题也需密切关注，严格操作，科学调度，方能更大限度地发挥其综合的经济效益和环境效益。

[1] 傅南山. 汾河水库锥形阀设计[J]. 水利水电技术, 1962(3):22-25.

[2] 陈千文, 易忠友. 阿萨汉一级水电站消能阀选型设计[J]. 水力发电, 2012(3): 18-20,57.

[3] SL 498-2010 锥形阀参数、型式与技术条件[S].

[4] 赵荣俊. 水工试验用固定锥型阀模型的研制与应用[J]. 人民长江, 2007, 38(2):126-127.

[5] JB/T 5296-1991, 通用阀门流量系数和流阻系数的试验方法[S].

Application of a Super-Size Cone Valve on Niulanjiang-Dianchi Water-Replenishment Project

HAN Yunfeng1, JIAO Daxian1, PAN Luoping2, CAO Dengfeng2

(1. Yunnan Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation, Design and Research, Kunming 650021, China;2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

The cone valve applied on Niulanjiang-Dianchi water-replenishment project is the maximum-diameter and highest-head cone valve in domestic hydraulic projects, with diameter exceeding 2800mm and working head exceeding 160m. The type selection, design, model test and field test of this valve are presented in this paper. The discharge coefficient, cavitation resistance, vibration stability and air replenishment of this valve are discussed.

super-size diameter; cone valve; water-replenishment project

TK730.2

1000-3983(2016)05-0038-04

2016-04-14

韩云峰（1964-），1985毕业于云南工学院机械工程系机械制造工艺及设备专业，工学学士，现从事水利水电工程水工金属结构专业技术研究工作，正高级工程师职称，担任云南省水利水电勘测设计研究院副总工程师。