王 蛟，胡亞安，嚴(yán)秀俊，傅陸志丹

(1.重慶交通大學(xué)重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016；2.重慶交通大學(xué)內(nèi)河航道整治技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400016；3.重慶交通大學(xué)重慶西科水運(yùn)工程咨詢中心，重慶 400016；4.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

0 引 言

控制閥門是水力式升船機(jī)所特有的核心部件，類似于傳統(tǒng)電力驅(qū)動(dòng)式升船機(jī)的電機(jī)，直接關(guān)系到升船機(jī)的運(yùn)行速度與安全。2016年底，世界上第一座水力式升船機(jī)——景洪升船機(jī)成功試通航，標(biāo)志著該類升船機(jī)的實(shí)踐成功。但作為最新型的一類升船機(jī)，其基礎(chǔ)應(yīng)用理論中還有許多問題值得深入研究和優(yōu)化[1]。景洪工程建設(shè)初期，將精確控制流量作為控制閥門選型的第一要素，最終確定采用德國VAG公司生產(chǎn)的活塞式調(diào)流閥(后文簡稱活塞閥)作為控制閥門[2]。后期原型觀測成果表明[3]，活塞閥控流精確，可以滿足景洪工程的運(yùn)行要求，但也存在一些不足，不利于水力式升船機(jī)的推廣應(yīng)用。該閥型在小開度下流阻較大，泄流能力偏低，限制了升船機(jī)的運(yùn)行速度；大開度下空化明顯，噪聲尖銳，振動(dòng)強(qiáng)烈，不利于閥后管道安全。未來水力式升船機(jī)控制閥門的運(yùn)行水頭差更高、提升重量更大，活塞閥的以上特點(diǎn)將被進(jìn)一步放大。可見，活塞閥將難以滿足未來水力式升船機(jī)的發(fā)展需要，深化研究控制閥門的選型問題十分必要。

作者基于水力式升船機(jī)控制閥門選型問題，曾對(duì)典型工業(yè)閥門的水力特性及研究進(jìn)展進(jìn)行了對(duì)比綜述[4]，發(fā)現(xiàn)固定式錐形閥(后文簡稱錐形閥)也較為適應(yīng)水力式升船機(jī)的運(yùn)行特性。錐形閥的相關(guān)研究主要集中在優(yōu)化閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，達(dá)到抑制空化、降低振動(dòng)等目的。楊和梅等[5]對(duì)錐閥的閥口結(jié)構(gòu)與空化的關(guān)系進(jìn)行了研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明，倒角長度的改變對(duì)閥口間隙以及閥芯錐面與柱面相接的地方的負(fù)壓會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。潘廣香等[6]對(duì)錐閥內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析，對(duì)錐閥閥口及閥芯都進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，優(yōu)化后的錐閥可抑制空化，整體性能優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。孫芃等[7]采用CAE軟件ANSYS對(duì)錐閥流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，優(yōu)化了閥口設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)有利于抑制空化，可減小振動(dòng)。秦武等[8]利用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)錐形閥大開度下的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，在環(huán)形孔套后部增加了錐形孔套部件以改善其內(nèi)部流場情況，降低了最高壓力、最大流速，減小了流動(dòng)死區(qū)及渦流區(qū)對(duì)過流能力的影響。賀杰等[9]利用CFD仿真計(jì)算了背壓對(duì)錐形閥空化特性的影響，研究結(jié)果表明，錐形閥閥腔內(nèi)節(jié)流口后部區(qū)域，流體流速增高、壓力降低，是空化發(fā)生的主要區(qū)域?？梢?，經(jīng)過防空化設(shè)計(jì)的錐形閥適用于管中調(diào)流調(diào)壓，但對(duì)其閥后流態(tài)及管壁壓力特性等的相關(guān)研究較少。為全面掌握固定式錐形閥的水力特性，本文通過物理模型試驗(yàn)對(duì)固定式錐形閥進(jìn)行了全面、深入的研究分析。

1 物理模型設(shè)計(jì)

本研究中錐形閥通徑DN=150 mm，帶導(dǎo)流罩。試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院多功能空化空蝕試驗(yàn)廳中進(jìn)行。該試驗(yàn)廳實(shí)現(xiàn)了水泵控制、閥門控制、系統(tǒng)壓力、流量監(jiān)控的自動(dòng)化。供水系統(tǒng)工作壓力最高可達(dá)1.5 MPa，最大流量為0.15 m3/s，可為試驗(yàn)閥門提供近乎工程原型的試驗(yàn)條件。根據(jù)試驗(yàn)要求，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕砷y前整流段、試驗(yàn)閥門段、玻璃管道和閥后穩(wěn)壓段組成，模型設(shè)計(jì)見圖1，試驗(yàn)閥門段照片見圖2。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

圖2 試驗(yàn)閥門段照片

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 閥門流量特性

在通航建筑物輸水系統(tǒng)中，閥門流量系數(shù)的一般表達(dá)式如式1。流量系數(shù)是閥門實(shí)際過流量與理想過流量的比值。由于存在局部阻力損失與沿程阻力損失，實(shí)際過流量總是小于理想過流量。流量系數(shù)表示為

(1)

式中，μ為流量系數(shù)；A為閥門過流面積；Q為閥門過流流量；ρ為流體密度；P1、P2分別為閥前、閥后參考斷面穩(wěn)定壓力。

2.1.1流量系數(shù)隨開度的變化

錐形閥套筒行程、流量系數(shù)隨閥門開度的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，錐形閥流量系數(shù)隨開度(n)增大而增加，最大流量系數(shù)約為0.678。n=0.1～0.7時(shí)，錐形閥流量系數(shù)增幅隨開度增大基本一致，線性度較好；n=0.8～1.0時(shí)，流量系數(shù)增幅隨開度增大在變緩，在開度為0.8時(shí)存在增幅由穩(wěn)定轉(zhuǎn)減的“拐點(diǎn)”。

圖3 錐形閥各開度下套筒行程、流量系數(shù)關(guān)系

從閥門結(jié)構(gòu)角度分析，錐形閥泄流能力主要受以下因素影響：

(1)閥門進(jìn)口面積。閥門進(jìn)口面積(Ai)的大小決定了閥門的最大過流量。閥門進(jìn)口面積計(jì)算公式為

(2)

式中，Ri為錐形閥進(jìn)口直徑。本文試驗(yàn)錐形閥Ai=17 671 mm2。

(2)套筒過流面積。錐形閥通過控制套筒行程(L)來調(diào)節(jié)閥門過流能力。套筒過流面積(A)<閥門進(jìn)口面積(Ai)時(shí)，閥門過流能力隨套筒過流面積的增大而增加；套筒過流面積(A)>閥門進(jìn)口面積(Ai)時(shí)，閥門過流能力將不再增加。套筒過流面為圓臺(tái)錐面，其計(jì)算公式為

A=πRTL-πrl

(3)

式中，RT為圓臺(tái)下底面直徑；L為圓臺(tái)下底面母線長度；r為套筒具體行程下圓臺(tái)上底面直徑；l為套筒具體行程下圓臺(tái)上底面母線長度。

基于公式(2)、(3)可計(jì)算錐形閥過流面積隨套筒開度的變化規(guī)律，結(jié)果如表1所示。由表1可知，當(dāng)開度為0.9時(shí)，A>Ai；n=0.8～0.9時(shí)，閥門過流面積已達(dá)極限，繼續(xù)增大套筒行程，閥門過流能力不會(huì)再提升。因此，n=0.8時(shí)，流量系數(shù)隨開度的變化曲線將出現(xiàn)“拐點(diǎn)”。

表1 錐形閥各開度套筒行程特性

2.1.2流量系數(shù)隨背壓、壓差的變化

典型開度下(n=0.4)，流量系數(shù)隨壓差的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)閥門未發(fā)生空化時(shí)(流量系數(shù)未突增前)，流量系數(shù)的變幅較??；閥門空化后，流量系數(shù)先突增，后迅速持續(xù)減小。具體體現(xiàn)為，同一開度下，固定背壓，逐漸增大上游壓力，在未發(fā)生空化前，流量系數(shù)基本維持穩(wěn)定。在臨界空化壓差附近，流量系數(shù)會(huì)小幅突增，后隨壓差的進(jìn)一步增大而開始明顯下降。對(duì)于該現(xiàn)象的一種解釋是，在發(fā)生可監(jiān)測到的空化現(xiàn)象前，于空化初生部位表面會(huì)形成細(xì)微氣泡，這些氣泡會(huì)在結(jié)構(gòu)物表面與過流水體間形成一層水氣膜，將水流與結(jié)構(gòu)物表面分離開來，近似于降低了結(jié)構(gòu)物表面的糙率，從而小幅提高了過流能力。隨背壓的增大，流量系數(shù)隨壓差變化的總體規(guī)律類似，但在臨界空化狀態(tài)下，閥門的流量系數(shù)峰值略有下降。

圖4 流量系數(shù)隨壓差的變化規(guī)律(n=0.4)

2.2 閥門空化特性

2.2.1流場結(jié)構(gòu)及空化現(xiàn)象

典型開度下(n=0.3)，錐形閥后的空化現(xiàn)象如圖5所示，該類閥門的空化類型為霧狀空化。由圖可知，錐形閥出流較為均勻，流場結(jié)構(gòu)簡單，近似于等截面穩(wěn)定出流，霧狀空化泡分布均勻、細(xì)碎微小。

圖5 閥門典型開度空化示意

2.2.2臨界空化數(shù)隨開度、背壓的變化

本文空化數(shù)定義如式4。以σi表征水流處于臨界空化狀態(tài)，σ>σi時(shí)，表明閥門段無空化；σ≤σi時(shí)，閥門段存在空化。σi越小，說明閥門空化初生時(shí)閥后作用水頭越小，即閥門無空化的工作水頭差越大，閥門的防空化性能越好。

(4)

式中，σ為空化數(shù)；Patm、Psv分別為當(dāng)?shù)卮髿鈮杭八娘柡驼羝麎?；v為參考斷面平均流速。

空化現(xiàn)象對(duì)閥門最直接的影響之一就是降低閥門的泄流能力，錐形閥典型開度(開度為0.4時(shí))流量系數(shù)與相對(duì)空化數(shù)的關(guān)系如圖6所示。σ/σi=1，即是臨界空化狀態(tài)。由圖可知，當(dāng)σ/σi>1時(shí)，流量系數(shù)基本維持穩(wěn)定；當(dāng)σ/σi<1時(shí)，流量系數(shù)隨相對(duì)空化數(shù)的減小而逐漸下降。當(dāng)相對(duì)空化數(shù)為0.5時(shí)，活塞閥流量系數(shù)降低約10%，錐形閥流量系數(shù)降低約5%。

圖6 錐形閥流量系數(shù)與相對(duì)空化數(shù)關(guān)系(n=0.4)

2.3 閥后管壁壓力特性

典型開度下(n=0.3)，錐形閥后管壁沿程壓力特性隨相對(duì)空化數(shù)的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可知，錐形閥出流較為均勻，流場結(jié)構(gòu)較簡單，閥口附近不存在明顯的低壓區(qū)，閥后沿程時(shí)均壓力(Pav)較穩(wěn)定，變幅很小。隨相對(duì)空化數(shù)的減小、壓差增大，2倍閥門通徑附近時(shí)均壓力略有增大，水流對(duì)管壁的沖擊稍有增強(qiáng)。對(duì)比壓力均方根值(Prms)可知，錐形閥閥口附近壓力均方根值最大，但沿水流方向迅速下降，在2倍閥門通徑附近即降至穩(wěn)定值，而后基本保持不變。不同相對(duì)空化數(shù)下，壓力均方根值沿程分布規(guī)律不變，僅閥口附近有所增大。

圖7 錐形閥典型開度閥后管壁壓力特性(n=0.3)

3 結(jié) 語

(1)錐形閥直接控制套筒來啟閉閥門，流量系數(shù)隨開度變化的線性度較好，過流能力較強(qiáng)，閥門全開時(shí)流量系數(shù)達(dá)到0.678(帶導(dǎo)流罩)。閥門未空化時(shí)，流量系數(shù)基本保持不變，閥門空化后，流量系數(shù)會(huì)先小幅突增，再隨空化程度的增強(qiáng)而迅速下降。

(2)錐形閥的空化類型為霧狀空化。由于導(dǎo)流罩的整流作用，錐形閥出流均勻，空化泡細(xì)碎微小。在臨界空化壓差附近，流量系數(shù)會(huì)小幅突增，后隨壓差的進(jìn)一步增大而開始明顯下降。

(3)基于導(dǎo)流罩的整流消能作用，錐形閥近似等截面出流，閥后流態(tài)簡單穩(wěn)定，管壁時(shí)均壓力沿程分布變化較小、壓力脈動(dòng)較弱。

綜上所述，錐形閥泄流能力較強(qiáng)，霧狀空化較易抑制，閥后流態(tài)簡單穩(wěn)定，對(duì)管壁的直接沖擊較小，較為適合水力式升船機(jī)的發(fā)展需要，但其抗空化性能略差。在高壓差、大流量工況下，閥門空化難以避免，因此必須輔以可靠的閥門防空化技術(shù)，才能確保水力式升船機(jī)控制閥門及其閥后管道安全。