韓云峰，焦達(dá)先，潘羅平，曹登峰

?

超大直徑錐形閥在牛欄江-滇池補(bǔ)水工程的應(yīng)用研究

韓云峰1，焦達(dá)先1，潘羅平2，曹登峰2

（1. 云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，昆明 650021；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

牛欄江—滇池補(bǔ)水工程水庫(kù)排空超大直徑錐形閥工作水頭超過(guò)160m，噴管直徑達(dá)2800mm，是目前國(guó)內(nèi)水利工程應(yīng)用直徑最大，工作水頭最高的錐形閥。本文介紹了該錐形閥的選型設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)錐形排放閥的排放系數(shù)、空蝕、振動(dòng)、補(bǔ)氣等問(wèn)題進(jìn)行了探討。

超大直徑；錐形閥；補(bǔ)水工程

0 前言

在我國(guó)水利水電工程中，水庫(kù)大壩底孔出口通常設(shè)置弧形閘門、平板閘門、閘閥、蝶閥、錐形閥等，用于水庫(kù)泄洪、放空、沖沙和向下游放生態(tài)用水等。閘門（閥）的選擇形式多樣，在工程實(shí)踐中，某些工程底孔工作閘（閥）的選型存在一些不合理的因素，致使運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)計(jì)要求的功能不能實(shí)現(xiàn)。

錐形閥最早由美國(guó)的亨利普安在1926年發(fā)明，后應(yīng)用于水利水電工程的泄流消能。我國(guó)最早在山西省汾河水庫(kù)工程上采用錐型閥（直徑2200mm）作為泄水設(shè)備，在1960年就已投產(chǎn)使用[1]。目前國(guó)內(nèi)水利水電工程中，宜興抽水蓄能電站采用錐形閥進(jìn)行下庫(kù)的放空、泄洪、導(dǎo)流。甘肅崆峒水庫(kù)改平板閘門為錐形閥進(jìn)行輸水，但總體來(lái)說(shuō)錐形閥在國(guó)外水利水電工程上應(yīng)用較為普遍，技術(shù)較為成熟，但在我國(guó)的應(yīng)用并不多[2]。

德澤水庫(kù)樞紐作為牛欄江—滇池補(bǔ)水工程的龍頭，為了及時(shí)、可靠地泄放下游生態(tài)流量，工程采用了錐形閥（DN2800）作為水庫(kù)發(fā)電-放空隧洞的泄水設(shè)備，其最大工作水頭165m，噴管直徑2800mm，屬超高水頭大口徑泄水設(shè)備，在國(guó)內(nèi)水利工程屬首次應(yīng)用。錐形閥的運(yùn)行安全與穩(wěn)定性是參建各方極為關(guān)注的問(wèn)題。本文從通過(guò)對(duì)錐形閥的選型比較，模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)等，對(duì)錐形排放閥的流量系數(shù)、空蝕、振動(dòng)、補(bǔ)氣等問(wèn)題進(jìn)行了探討[3]。

1 模型試驗(yàn)分析

為研究錐形閥的排放系數(shù)，以及運(yùn)行中的空蝕和振動(dòng)等問(wèn)題，在噴管直徑為288mm的錐形閥模型上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括：（1）針對(duì)錐形閥常見(jiàn)的兩種出口配置（直管段和導(dǎo)流罩），對(duì)比兩種配置對(duì)閥門排放性能的影響；（2）針對(duì)由于高速水流可能引發(fā)的氣蝕問(wèn)題，研究補(bǔ)氣與否對(duì)閥門振動(dòng)及穩(wěn)定性的影響[4]。

圖1 錐形閥兩種出口配置（左側(cè)為直管段，右側(cè)為導(dǎo)流罩）

1.1 試驗(yàn)原理

閥門的排放系數(shù)是衡量閥門流通能力的重要指標(biāo)，排放系數(shù)數(shù)值越大，說(shuō)明流體流經(jīng)閥門時(shí)的壓力損失越小，閥門排放性能越好[5]。排放系數(shù)C由式1計(jì)算得到。

閥門前后靜水頭Δ由式2計(jì)算得到。

式中，為閥門流量，m3/s；v，0為閥門進(jìn)、出口流速，m/s；A，o為閥門進(jìn)、出口斷面面積，m2；p，o為閥門進(jìn)、出口壓力，Pa；Z，o為閥門進(jìn)、出口中心高程，m。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)中，閥門流量由電磁流量計(jì)測(cè)得，閥門壓力由壓力傳感器測(cè)得，閥體振動(dòng)由加速度傳感器測(cè)得。測(cè)試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

測(cè)試系統(tǒng)中，加速度傳感器分別布置于閥體上部垂直、軸向水平、徑向水平三處，測(cè)試閥體的振動(dòng)。對(duì)壓力測(cè)量斷面的選擇，進(jìn)出口測(cè)量位置不宜離閥體過(guò)遠(yuǎn)，否則流道壓力損失將導(dǎo)致測(cè)量誤差過(guò)大；測(cè)量位置處的水流流動(dòng)受流道、閥門運(yùn)行、環(huán)境的干擾應(yīng)盡量小，以保證測(cè)試值能代表測(cè)量斷面的真實(shí)流態(tài)；進(jìn)而考慮到錐形閥進(jìn)口側(cè)壓力管道大部分深埋在水工主體內(nèi)，出口側(cè)水流在經(jīng)過(guò)導(dǎo)流罩或直管段后直接排入大氣中，最終確定進(jìn)出口側(cè)的壓力測(cè)量斷面為閥體前后各1倍直徑處。

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中所使用的傳感器型號(hào)及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1：

表1 傳感器型號(hào)及測(cè)試參數(shù)一覽表

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)在70m水頭下進(jìn)行，配直管段（未補(bǔ)氣）、配直管段（補(bǔ)氣）、配導(dǎo)流罩（未補(bǔ)氣）三種工況下，控制閥門開(kāi)度由10%階梯上升至100%，同步采集閥門流量、壓力、振動(dòng)等信號(hào)，計(jì)算不同開(kāi)度下的閥門排放系數(shù)，繪制排放系數(shù)、振動(dòng)與閥門開(kāi)度的關(guān)系曲線。其中，振動(dòng)信號(hào)的混頻幅值取值方法采用97%置信度的混頻峰峰幅值。

1.3.1 兩種配置對(duì)比結(jié)果

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果，繪制出在配直管段（未補(bǔ)氣）和配導(dǎo)流罩（未補(bǔ)氣）兩種工況下的閥門開(kāi)度與排放系數(shù)關(guān)系曲線，如圖3所示。從圖中可以看出：

（1）閥門排放系數(shù)隨閥門開(kāi)度的增加而增大，且在開(kāi)度80%以后趨于穩(wěn)定；

（2）在閥門開(kāi)度30%以下時(shí)，配直管段的閥門排放系數(shù)要高于配導(dǎo)流罩；

（3）而閥門開(kāi)度40%以上時(shí)，配導(dǎo)流罩的閥門排放系數(shù)要更高。

圖3 閥門開(kāi)度與排放系數(shù)關(guān)系曲線（直管段與導(dǎo)流罩對(duì)比）

1.3.2 補(bǔ)氣對(duì)振動(dòng)的影響

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，匯總在配直管段（未補(bǔ)氣）和配直管段（補(bǔ)氣）兩種工況下的閥門開(kāi)度與振動(dòng)數(shù)據(jù)關(guān)系表，見(jiàn)表2。從表中可以看出：

（1）30%開(kāi)度以下時(shí)，補(bǔ)氣工況下的閥體垂直振動(dòng)、軸向振動(dòng)要大于未補(bǔ)氣工況，而徑向振動(dòng)小于未補(bǔ)氣工況；

（2）40%開(kāi)度以上時(shí)，補(bǔ)氣工況下的閥體振動(dòng)均小于未補(bǔ)氣工況。

可見(jiàn)大開(kāi)度工況下，補(bǔ)氣明顯改善了閥體的振動(dòng)與穩(wěn)定性，這也從側(cè)面反映出補(bǔ)氣改善了閥門內(nèi)部流體的壓力分布，抑制了氣蝕的發(fā)生。

表2 閥門開(kāi)度與閥體振動(dòng)關(guān)系表（補(bǔ)氣與未補(bǔ)氣對(duì)比）

圖4 閥體垂直振動(dòng)與閥門開(kāi)度關(guān)系曲線（補(bǔ)氣與未補(bǔ)氣對(duì)比）

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

模型試驗(yàn)結(jié)果表明，配置導(dǎo)流罩的錐形閥在排放水流時(shí)，更易于擴(kuò)散水流，排放系數(shù)較高，對(duì)下游沖刷影響較小，更利于閥門運(yùn)行穩(wěn)定；同時(shí)也加大了水流與空氣的摩擦力度，因此消能效果更佳。牛欄江-滇池補(bǔ)水工程最終采用了配置導(dǎo)流罩的錐形閥，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

1-進(jìn)口管，2-驅(qū)動(dòng)油缸，3-噴管，4-滑套筒，5-導(dǎo)流罩

為進(jìn)一步研究錐形閥的排放特性，驗(yàn)證該閥門在實(shí)際運(yùn)行中的工作特性，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)原理同1.1，測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成與模型試驗(yàn)唯一不同的是，現(xiàn)場(chǎng)錐形閥出口側(cè)無(wú)法布置壓力傳感器，考慮到錐形閥在泄水時(shí)直接排入大氣，故在數(shù)據(jù)處理中出口側(cè)壓力以大氣壓計(jì)算。試驗(yàn)在123m水頭下進(jìn)行，補(bǔ)氣與未補(bǔ)氣兩種工況下，調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度，同步采集閥門流量、壓力、振動(dòng)等信號(hào)，計(jì)算不同開(kāi)度下的閥門排放系數(shù)，繪制排放系數(shù)、振動(dòng)與閥門開(kāi)度的關(guān)系曲線，并與模型試驗(yàn)結(jié)果做出對(duì)比。

2.1 補(bǔ)氣效果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比錐形閥原型和模型的排放系數(shù)與閥門開(kāi)度關(guān)系圖，如圖6所示。從圖中可以看出以下幾點(diǎn)：

（1）排放系數(shù)隨閥門開(kāi)度的增大而增大，原型與模型一致；因此應(yīng)盡量控制閥門在大開(kāi)度下運(yùn)行，提高泄水效率；

（2）補(bǔ)氣與否對(duì)原型的排放系數(shù)影響不大，在50%開(kāi)度以上時(shí)補(bǔ)氣工況下的排放系數(shù)略大；

（3）40%開(kāi)度以上時(shí)，模型的排放系數(shù)高于原型排放系數(shù)。

圖6 補(bǔ)氣對(duì)閥門排放系數(shù)的影響（原型與模型對(duì)比）

2.2 振動(dòng)與穩(wěn)定性分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，仍以閥體垂直振動(dòng)為例，對(duì)比錐形閥原型與模型的振動(dòng)和閥門開(kāi)度關(guān)系圖，如圖7所示。從圖中可以看出：

圖7 補(bǔ)氣對(duì)閥門振動(dòng)的影響（原型與模型對(duì)比）

（1）閥體振動(dòng)隨開(kāi)度成“N”字形變化，即小開(kāi)度時(shí)，閥體振動(dòng)隨開(kāi)度的增加而增大，隨后開(kāi)度的增加而減小；大開(kāi)度時(shí)，振動(dòng)隨開(kāi)度的增加有所增大，原型與模型的變化趨勢(shì)一致，但原型的振動(dòng)增大較小。

（2）補(bǔ)氣可明顯改善閥體振動(dòng)水平，尤其對(duì)原型閥，在各開(kāi)度下，補(bǔ)氣工況下的閥體振動(dòng)均小于未補(bǔ)氣工況。

可見(jiàn)為了錐形閥的運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)在其運(yùn)行時(shí)提供及時(shí)必要的補(bǔ)氣措施。

3 總結(jié)與展望

本文從錐形閥在水利水電工程上的應(yīng)用入手，針對(duì)牛欄江-滇池補(bǔ)水工程所采用的高水頭、大尺寸的錐形閥，通過(guò)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)的方式，深入研究了錐形閥在運(yùn)行中的空蝕、振動(dòng)及穩(wěn)定性問(wèn)題，得到以下結(jié)論：

（1）錐形閥在大開(kāi)度下的排放系數(shù)較高，排放性能較好，實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡量控制閥門在大開(kāi)度下運(yùn)行；

（2）在投資成本許可的前提下，為錐形閥配置導(dǎo)流罩，可提高消能效果，減小對(duì)下游的沖刷，有助于錐形閥的運(yùn)行穩(wěn)定；

（3）補(bǔ)氣能減小錐形閥運(yùn)行時(shí)的閥體振動(dòng)，抑制氣蝕的產(chǎn)生與破壞，更有利于錐形閥的運(yùn)行安全，實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)提供及時(shí)有效的補(bǔ)氣措施。

DN2800超大直徑錐形閥在牛欄江-滇池補(bǔ)水工程的應(yīng)用，體現(xiàn)了錐形閥在水利工程的泄流、消能布置中的優(yōu)勢(shì)，即投資成本低、結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便、消能效果好，值得進(jìn)一步推廣。另外，錐形閥在運(yùn)行中的空蝕、振動(dòng)問(wèn)題也需密切關(guān)注，嚴(yán)格操作，科學(xué)調(diào)度，方能更大限度地發(fā)揮其綜合的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

[1] 傅南山. 汾河水庫(kù)錐形閥設(shè)計(jì)[J]. 水利水電技術(shù), 1962(3):22-25.

[2] 陳千文, 易忠友. 阿薩漢一級(jí)水電站消能閥選型設(shè)計(jì)[J]. 水力發(fā)電, 2012(3): 18-20,57.

[3] SL 498-2010 錐形閥參數(shù)、型式與技術(shù)條件[S].

[4] 趙榮俊. 水工試驗(yàn)用固定錐型閥模型的研制與應(yīng)用[J]. 人民長(zhǎng)江, 2007, 38(2):126-127.

[5] JB/T 5296-1991, 通用閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗(yàn)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

A

1000-3983(2016)05-0038-04

2016-04-14

韓云峰（1964-），1985畢業(yè)于云南工學(xué)院機(jī)械工程系機(jī)械制造工藝及設(shè)備專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)從事水利水電工程水工金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)研究工作，正高級(jí)工程師職稱，擔(dān)任云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院副總工程師。

姓名： 韓云峰

出生年月：1964/12/9

1985年7月畢業(yè)于云南工學(xué)院（現(xiàn)名：昆明理工大學(xué)）機(jī)械工程系機(jī)械制造工藝及設(shè)備專業(yè)，獲得大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)從事水利水電工程水工金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)研究工作，正高級(jí)工程師職稱，擔(dān)任云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院副總工程師。

聯(lián)系電話：0871-65138008

聯(lián)系手機(jī)：13888998189

地址：云南省昆明市青年路376號(hào)

審稿人：魏顯著