韓志遠(yuǎn)
(遼寧省水利廳,遼寧沈陽(yáng)110003)
錐型閥在無壓隧洞消能中的應(yīng)用
韓志遠(yuǎn)
(遼寧省水利廳,遼寧沈陽(yáng)110003)
當(dāng)采用無壓隧洞進(jìn)行跨流域調(diào)水輸水時(shí),需要對(duì)水流進(jìn)行控制及消能。無壓隧洞的消能方式有洞外消能和洞內(nèi)消能。其中洞內(nèi)消能有錐形閥消能工等四種類型,本文通過遼寧省某重點(diǎn)輸水工程中,錐型消能閥在無壓隧洞內(nèi)消能的應(yīng)用,詳細(xì)論述了錐形閥的設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)中需注意的問題,最終得出錐形閥消能工具有顯著的優(yōu)點(diǎn)值得在水利建設(shè)過程中推廣應(yīng)用。
無壓輸水隧洞;錐型閥;洞內(nèi)消能
當(dāng)采用無壓隧洞進(jìn)行跨流域調(diào)水時(shí),當(dāng)在給水水庫(kù)考慮多級(jí)取水時(shí),通常隧洞首部為有壓隧洞,隧洞內(nèi)部水流蘊(yùn)含極大的能量,這就對(duì)隧洞自身的結(jié)構(gòu)、可靠度等提出了非常高的要求。為了防止隧洞因此而發(fā)生破壞,需要在隧洞首部增加消能措施,這對(duì)于水隧洞安全和降低造價(jià)極為有利。洞內(nèi)消能與洞外消能相比,洞內(nèi)消能可大大減小隧洞內(nèi)部水流速度,避免洞內(nèi)高速水流帶來的不利影響。并可降低隧洞襯砌材料抗沖耐磨標(biāo)準(zhǔn),從而降低工程造價(jià)。無壓隧洞洞內(nèi)消能一般有四種類型:孔板消能工、旋流式消能工、錐型閥消能工、無壓隧洞內(nèi)消力池消能工。
錐型閥消能工是在輸水隧洞中聯(lián)接一段管道,設(shè)置一個(gè)錐型閥門,當(dāng)水流流過錐型閥時(shí),通過錐型閥錐體的導(dǎo)向作用,使水流以輻射狀擴(kuò)散。水流在流向錐型閥下游時(shí),以大角度擴(kuò)散,通過錐閥與水流間的大面積摩擦,達(dá)到消能效果。
錐型閥消能工的主要組成為:芯軸、套筒、固定錐、導(dǎo)流罩、密封和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。固定錐與進(jìn)水管間通過芯軸上呈放射狀的4~6片筋板支撐連接,進(jìn)水管斷面與椎體之間保持一定間距,套管套在筋板和主管外部,通過其前后移動(dòng)改變對(duì)無管壁開放段的封閉長(zhǎng)度,起到調(diào)節(jié)閥門開度的作用。
錐型閥消能工和傳統(tǒng)消能工相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)錐型閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠與進(jìn)水洞緊密結(jié)合,從而起到優(yōu)化樞紐布置,降低工程投資。(2)能夠靈活控制流量,在進(jìn)行洞內(nèi)消能的同時(shí),還可調(diào)節(jié)控制洞內(nèi)流量,在引水工程中廣泛應(yīng)用。(3)經(jīng)過錐型閥消能后,下泄水流能量小,與下游能平穩(wěn)銜接。因此在輸水隧洞中設(shè)置錐型閥消能工消能,具有重要的意義。
遼寧省某重點(diǎn)輸水工程由進(jìn)水口、有壓隧洞、錐形消能閥、無壓隧洞等部分組成。給水水庫(kù)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條洞徑為4.5m圓形壓力隧洞。每條壓力隧洞在末端分岔,每條壓力洞分別與廠房?jī)?nèi)水輪發(fā)電機(jī)組和錐形消能閥相接,錐型閥的作用為當(dāng)電站機(jī)組進(jìn)行檢修時(shí),水流可以通過錐型閥進(jìn)入下游,進(jìn)行消能,提高了隧洞的供水保證率。水輪發(fā)電機(jī)組和錐形消能閥設(shè)備通過尾水洞與下游主洞相接。該輸水工程的樞紐布置平面圖如圖1所示。
錐形消能閥與發(fā)電機(jī)組并列布置在地下廠房中。錐型閥的直徑為2.4m,錐型閥安裝高程均為254.00m,出口為淹沒式出流,淹沒深度為12.34m。錐型閥出口接壓力尾水洞長(zhǎng)60m,在距錐型閥出口23m處,設(shè)有尾水檢修平板閘門。尾水洞斷面尺寸為5.0m×5.0m(寬×高)。錐型閥細(xì)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖1 樞紐布置平面圖
圖2 錐型閥細(xì)部結(jié)構(gòu)圖
3.1 閥門的消能和抗氣蝕的能力
目前錐型消能閥一般在出口加裝速度導(dǎo)流器和能量導(dǎo)流裝置,保證消能閥具有更好的消能效果和抗氣蝕能力。錐型閥后設(shè)能量導(dǎo)流器,使出口高速水流與導(dǎo)流片碰撞,消減速度水頭和能量。未加裝能量導(dǎo)流器的錐型閥,消能率為60%,加裝能量導(dǎo)流器的錐型閥消能率達(dá)90%。固定錐型閥后端為錐型結(jié)構(gòu),使氣蝕發(fā)生的部位不在噴管的管壁上,通過設(shè)在閥門后端的速度和能量導(dǎo)流器,使氣蝕區(qū)域與閥體的金屬壁分開,氣泡在閥體的內(nèi)部破裂,而不在閥體內(nèi)金屬壁破裂。同時(shí),能量導(dǎo)流器可以避免閥門后端管道受氣蝕的破壞。即使在出口壓力為負(fù)壓時(shí),仍能保證良好的抗氣蝕特性。大壓差消能運(yùn)行時(shí),允許的噴管流速可達(dá)16m/s,抗氣蝕指數(shù)可達(dá)0.15,具有較好的抗氣蝕性能。在線式調(diào)流錐型閥,允許的前后最大壓差為200m。因此完全可以采用錐型閥進(jìn)行消能。
3.2 閥門的過流能力
消能型固定錐型閥最大開度下的流阻系數(shù)為1.35~2,本工程通過模型試驗(yàn)的方法,確定錐型閥的直徑為2.4m。
3.3 閥門的可靠性
固定錐型閥閥門上設(shè)有人孔,不用拆卸閥體,即可通過人孔進(jìn)入閥體進(jìn)行維修。固定錐型閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在閥體外部,維修方便。固定錐型閥的前端密封采用金屬硬密封,閥門的壽命期內(nèi)不需更換。
3.4 錐形閥消能率的驗(yàn)證
本工程通過模型試驗(yàn)來研究消能率的大小,消能率采用能量守恒定律,消能率數(shù)值大小采用錐形閥前后斷面的能量差值與初始能量的比值來衡量。公式如式1~式3所示:
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: 文章編號(hào):1672-2469(2015)05-0090-02
10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.028
韓志遠(yuǎn)(1969年—),男,高級(jí)工程師。