范錫冉

（華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州450045；浙江水利水電學(xué)院水利與海洋工程研究所，浙江 杭州310018）

電動(dòng)調(diào)節(jié)閥通過變化自身開度來實(shí)現(xiàn)通斷管路系統(tǒng)及控制流量大小，它是輸水工程系統(tǒng)的重要部件，其過流特性將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率和安全產(chǎn)生直接的影響。由于閥門對(duì)流體有阻止作用，不同的開度會(huì)致閥門內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化，從而使能量損失。同時(shí)會(huì)有劇烈的沖擊與振動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致閥體變形與疲勞破壞，會(huì)影響控制和調(diào)節(jié)的精度，嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作失靈。因此，研究電動(dòng)調(diào)節(jié)閥過流特性對(duì)于提高整個(gè)輸水系統(tǒng)的效率與安全性具有較高的實(shí)際價(jià)值。

對(duì)閥門小開度過流特性的研究，主要有模型試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值計(jì)算、管道試驗(yàn)等幾種。

1 理論和數(shù)值模擬方面的研究進(jìn)展

秦明海[1]引入了兩個(gè)不同的概念：幾何開度和水力開度，正確理解閥門的過流特性，得到水泵斷電工況下過流特性對(duì)水擊的影響。萬五一等[2]通過分析閥門基本特性，得到了流量系數(shù)變化規(guī)律對(duì)瞬變過程的影響，它會(huì)直接影響管路中產(chǎn)生的最大水擊壓力，相似的工況下流量系數(shù)變化較平緩，所產(chǎn)生的水擊壓力較小。楊國(guó)來等[3]利用FLUENT軟件對(duì)節(jié)流閥流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，得知要得到穩(wěn)定小流量，需要開度合適，不能太小，壓差不能太大。將節(jié)流孔改為左右布置，使節(jié)流口的雜質(zhì)沉積減少，對(duì)最小穩(wěn)定流量的研究作出了貢獻(xiàn)。李鳳濱[4]根據(jù)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和壓力流量關(guān)系理論，率定了調(diào)流閥的過流特性曲線簇，由曲線圖可見存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)開度大于轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后，與流量的關(guān)系可以看作線性關(guān)系。這一結(jié)論可以在長(zhǎng)距離輸水工程中指導(dǎo)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流量。黃偉等[5]以水泵出口控制閥為研究對(duì)象，建立理想關(guān)系模型來反映對(duì)流量系數(shù)與閥門相對(duì)開度的關(guān)系，通過分析工程實(shí)例，得到了四種水泵控制閥的特性曲線，理想曲線為下凹形，可以減小管道中的壓力，有效抑制管路中產(chǎn)生負(fù)壓。吳石等[6]研究發(fā)現(xiàn)閥門開度減小到一定角度時(shí)，附近會(huì)出現(xiàn)漩渦。三種閥門漩渦形成的位置不同，閥門開度越大，能量損失越大。劉華坪等[7]利用動(dòng)網(wǎng)格、UDF技術(shù)、動(dòng)態(tài)仿真，得到閥門開啟和關(guān)閉過程不是反過程，流場(chǎng)特點(diǎn)和受力特點(diǎn)有很大差異。姚楊[8]確定了小開度各工況的范圍，獲得小開度工況水輪機(jī)特性曲線，分析了閥門7%開度時(shí)水輪機(jī)外特性的變化規(guī)律。鄧聰?shù)萚9]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，漩渦結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定，內(nèi)部流場(chǎng)紊亂。胡建永等[10]計(jì)算表明，合理布置空氣閥可以有效消除輸水系統(tǒng)的負(fù)壓。

2 物理實(shí)驗(yàn)方面的研究進(jìn)展

曹明等[11]通過試驗(yàn)討論了幾種影響因素對(duì)減壓閥靜態(tài)特性的影響，對(duì)減壓閥的設(shè)計(jì)提供了有效參考，比如要考慮閥芯的不平衡面積、膜片面積和總體剛度。何建慧等[12]得出結(jié)論，閥板上設(shè)置過流孔可以大大提高流量，且使流動(dòng)平緩，也不會(huì)改變閥板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)過流孔的尺寸、分布方式等參數(shù)提出了綜合考量。伍悅濱等[13]通過實(shí)驗(yàn)建立了閘閥阻力系數(shù)與相對(duì)開度的關(guān)系的模型，提出了一種新的計(jì)算方法，即計(jì)入閥門阻力。得出閥門的局部阻力系數(shù)的影響因素不僅有開度，還有管徑。國(guó)內(nèi)外的研究得到了閥門內(nèi)一些總體性能參數(shù)，如流量特性、壓力損失狀況等，但是由于閥腔內(nèi)部的流動(dòng)是復(fù)雜的黏性非定常流動(dòng)[14]，無法得到閥腔中變化復(fù)雜的流場(chǎng)分布，同時(shí)也無法進(jìn)一步探究流動(dòng)損失的機(jī)理。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究進(jìn)展

孫曉等[15]研究了止回閥閥芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)閥芯長(zhǎng)度與閥瓣進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，后期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有較好的性能。劉惺等[16]為蝶閥的設(shè)計(jì)與選型提供一定的技術(shù)支撐。前蘇聯(lián)莫斯科動(dòng)力學(xué)院的研究者們對(duì)閥門的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了閥門的安全性與穩(wěn)定性[17]。美國(guó)的通用電氣公司研制出了幾種性能優(yōu)良的高、中壓調(diào)節(jié)閥，顯著提高了管道的流通效率。并且在改進(jìn)閥門的局部結(jié)構(gòu)之后，減少了30%左右的能量損失[18]。德國(guó)的西門子公司和日本的三菱公司提高了閥門的流通能力[19]。袁新明等[20]對(duì)流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的閥門流道通過性變得更好，阻力系數(shù)降低。

4 結(jié)論

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于閥門的流場(chǎng)特性已做了大量研究，但其研究方法與研究側(cè)重點(diǎn)各有不同，得出的結(jié)論也不盡相同。盡管近年來閥門的控制向著自動(dòng)化、智能化方向不斷邁進(jìn)，但是由于受研究條件的限制，閥門過流性能并沒有得到明顯改善，特別是小開度下閥門的流動(dòng)損失與故障率無法得到有效控制。進(jìn)行物理模型試驗(yàn)時(shí)，閥門連續(xù)變開度情況下，壓力和流量的測(cè)量存在時(shí)差，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步化處理。且在小開度狀態(tài)下精確獲取流量數(shù)據(jù)較為困難。因此，研究電動(dòng)調(diào)節(jié)閥過流特性對(duì)于提高整個(gè)輸水系統(tǒng)的效率與安全性具有實(shí)際的價(jià)值，為今后更加系統(tǒng)地研究閥門內(nèi)流場(chǎng)細(xì)節(jié)以及閥門結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了大量的有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。