閥門(mén)類(lèi)型對(duì)離心泵輸水系統(tǒng)停泵特性影響研究

張 醒，劉躍飛，姜 勁

（1. 施耐德電氣（中國(guó)）有限公司，江蘇 南京 210019； 2. 金陵科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

停泵過(guò)渡過(guò)程為泵站運(yùn)行中常見(jiàn)的大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程，其歷時(shí)較短且常伴隨著劇烈的壓力波動(dòng)和頻繁流態(tài)轉(zhuǎn)換［1］。出口閥門(mén)在停泵開(kāi)始后迅速動(dòng)水關(guān)閉，起到關(guān)鍵斷流作用，同時(shí)其關(guān)閉過(guò)程中常伴隨流場(chǎng)的劇烈變化［2］，甚至出現(xiàn)漩渦、空化和水擊等威脅水泵和輸水系統(tǒng)運(yùn)行安全的現(xiàn)象，因而針對(duì)停泵過(guò)渡過(guò)程中出口閥門(mén)的研究對(duì)水泵輸水系統(tǒng)的安全運(yùn)行十分重要［3，4］。

模型試驗(yàn)是研究水泵輸水系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)［5，6］，但一方面水泵過(guò)渡過(guò)程的模型試驗(yàn)難度大，成本高，部分工況具有危險(xiǎn)性［7］；另一方面，輸水系統(tǒng)模型試驗(yàn)的比尺選擇主要依據(jù)水泵及管道的幾何特性，很難做到模型閥門(mén)的等比例還原，若要實(shí)現(xiàn)閥門(mén)部件與原型相似，會(huì)大幅增加模型試驗(yàn)難度［8］，已有模型試驗(yàn)研究較少探究閥門(mén)偏差，以及閥門(mén)類(lèi)型對(duì)停泵特性的影響。數(shù)值計(jì)算中的一維特征線法（MOC）以實(shí)驗(yàn)獲得的水泵特性曲線為求解邊界條件，結(jié)合一維離散管道水錘方程求解含水泵輸水系統(tǒng)瞬態(tài)特性，其對(duì)閥門(mén)部件多為簡(jiǎn)化處理，采用通用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞幚黹y門(mén)邊界，較難體現(xiàn)不同閥門(mén)特性對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)過(guò)程的影響［9］。

隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法的廣泛運(yùn)用，水力過(guò)渡過(guò)程問(wèn)題中應(yīng)用CFD 方法進(jìn)行數(shù)值分析愈發(fā)成熟，三維數(shù)值模擬方法不僅能直觀反映水泵內(nèi)流特性，同時(shí)能體現(xiàn)閥門(mén)部件的流場(chǎng)特性［10，11］。蝶閥、球閥與閘閥是泵站出口閥門(mén)的3 種常見(jiàn)型式。在泵站及水電站過(guò)渡過(guò)程的數(shù)值模擬研究中，由于3 種閥門(mén)幾何結(jié)構(gòu)不同且閥體運(yùn)動(dòng)方式有所差異，在CFD 數(shù)值模擬中采用的不同模擬方法如下：通常而言，球閥的啟閉模擬最簡(jiǎn)便，Moujaes S F［12］等人使用STAR-CD 軟件對(duì)不同開(kāi)度下的球閥進(jìn)行三維CFD 模擬分析，張亞武［13］等人采用滑移網(wǎng)格（Moving Mesh）方法控制閥芯運(yùn)動(dòng)，模擬甩負(fù)荷工況下主進(jìn)水閥關(guān)閥過(guò)程；蝶閥在CFD 數(shù)值模擬可以采用滑移網(wǎng)格的方式，Leutwyler Z［14］等人采用三維CFD 方法對(duì)蝶閥的流量、轉(zhuǎn)矩、壓力等參數(shù)進(jìn)行三維模擬預(yù)測(cè)，周大慶［15］等人滑移網(wǎng)格法控制轉(zhuǎn)輪與蝶閥轉(zhuǎn)速的改變，完成混流泵站開(kāi)機(jī)過(guò)程數(shù)值模擬；蝶閥模擬也可以采用幾何重構(gòu)的動(dòng)網(wǎng)格方法，何慶中［16］等人采用幾何重構(gòu)的動(dòng)網(wǎng)格方法對(duì)三偏心蝶閥開(kāi)啟過(guò)程出現(xiàn)的渦街現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬；閘閥可采用動(dòng)網(wǎng)格中的鋪層方法實(shí)現(xiàn)，夏鶴鵬［17］利用動(dòng)網(wǎng)格的鋪層方法模擬快速閘門(mén)的啟閉?？梢?jiàn)，針對(duì)不同的閥門(mén)類(lèi)型的CFD 模擬方法有差異，在數(shù)值模擬中的難易程度也不盡相同，而已有研究較少針對(duì)不同類(lèi)型閥門(mén)對(duì)系統(tǒng)停泵特性影響進(jìn)行研究，且基于三維瞬態(tài)CFD 方法對(duì)系統(tǒng)中閥門(mén)類(lèi)型差異的研究更少［18］。若能厘清不同閥門(mén)類(lèi)型對(duì)水泵輸水系統(tǒng)過(guò)渡工況影響的異同點(diǎn)，一方面可實(shí)現(xiàn)CFD 數(shù)值模擬中不同閥門(mén)類(lèi)型的相互替換從而使模擬過(guò)程簡(jiǎn)化，另一方面對(duì)模型實(shí)驗(yàn)中閥門(mén)部件的選擇，對(duì)改善模型試驗(yàn)中閥門(mén)部件的相似性誤差具有理論指導(dǎo)意義。

本文構(gòu)建含離心泵輸水系統(tǒng)的三維數(shù)值模型，基于CFD 商用軟件及動(dòng)網(wǎng)格方法提出了含不同類(lèi)型出口閥門(mén)的輸水系統(tǒng)停泵過(guò)渡過(guò)程數(shù)值仿真方法。分析不同出口閥型式對(duì)停泵過(guò)渡過(guò)程的水泵特性參數(shù)變化的影響及對(duì)應(yīng)參數(shù)極值間的差異，結(jié)合流場(chǎng)內(nèi)特性揭示差異形成的原因，并探究不同關(guān)閥時(shí)間對(duì)閥門(mén)間差異的影響。

1 數(shù)值計(jì)算方法及模型

1.1 基本方程

水泵輸水系統(tǒng)的停泵過(guò)渡過(guò)程中，工作介質(zhì)為水，熱量交換較小，因而可不考慮能量方程的影響［19］，其求解的連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程分別為：

由于停泵工況常伴隨著壓力的劇烈波動(dòng)及壓力波在輸水管道內(nèi)傳播，水體的壓縮性需要考慮。結(jié)合軟件FLUENT 中用戶自定義方法（UDF），在設(shè)置水體的壓縮性時(shí)將流場(chǎng)內(nèi)計(jì)算節(jié)點(diǎn)處的密度和波速表示為節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)的函數(shù)，體積彈性系數(shù)及波速表示為公式如下：

將初始?jí)簭?qiáng)與密度值代入公式（3）得公式（5），進(jìn)一步求解得節(jié)點(diǎn)波速與節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)的關(guān)系為公式（6）：

式中：p為水壓強(qiáng)；p0為環(huán)境壓強(qiáng)，取值0；ρ為水密度；a為水錘波速；ρ0為初始水密度，為1 000 kg/m3；K為水體積彈性系數(shù)，為2.2×109Pa。將公式（6）應(yīng)用于管道的水錘計(jì)算時(shí)，其與實(shí)際水錘波速有輕微偏差，但本文的關(guān)注點(diǎn)主要為數(shù)值模擬中不同閥門(mén)型式對(duì)停泵過(guò)渡過(guò)程的影響，在同樣的參數(shù)設(shè)置下，管道水錘波速的輕微偏差可忽略。

1.2 計(jì)算模型及網(wǎng)格

計(jì)算模型為含離心泵輸水系統(tǒng)，其整體三維幾何模型如圖1 所示，模型包含離心泵，液控出口閥，壓力箱，輸水管道等部件。計(jì)算模型與原型比尺為1∶1，額定流量為13 m3/s，水泵的額定揚(yáng)程為48.0 m，水泵額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為2 500 kg·m2，電機(jī)功率為9 000 kW，葉輪直徑為2.8 m，葉片數(shù)為6，葉輪中心高程為-16.3 m，閥門(mén)直徑為2.6 m，水泵前后輸水管道總長(zhǎng)度為200 m左右。數(shù)值計(jì)算中出口閥有蝶閥，球閥，閘閥三種型式，配置不同類(lèi)型閥門(mén)時(shí)僅閥門(mén)部件模型發(fā)生替換，其他部件如水泵、管道的幾何模型均相同。額定運(yùn)行狀態(tài)下，水由恒定水位的上游水庫(kù)流入上游進(jìn)口，經(jīng)管道、水泵、出口閥門(mén)、壓力箱等部件后經(jīng)下游出口進(jìn)入恒定水位的高位水池。

圖1 離心泵輸水系統(tǒng)三維幾何模型Fig.1 3D model of water delivery system with centrifugal pump

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分管道、壓力箱、球閥和閘閥部件，對(duì)于空間扭曲較大的離心泵和蝶閥部件采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，圖1 中展示了三種閥門(mén)的局部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。通常而言，更多的網(wǎng)格數(shù)量對(duì)應(yīng)更精確的計(jì)算結(jié)果，但增加網(wǎng)格數(shù)量會(huì)相應(yīng)地增加數(shù)值計(jì)算的時(shí)間成本，因而在計(jì)算精度與計(jì)算速度之間尋找平衡十分必要［20］。選取網(wǎng)格總數(shù)為158.4 萬(wàn)、259.5 萬(wàn)和335.8 萬(wàn)的方案1、2、3 三種網(wǎng)格劃分方案，3 種網(wǎng)格劃分方案對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果局部略有影響，但不改變總體趨勢(shì)。在停機(jī)瞬態(tài)工況下，方案2 與3 的最大反向轉(zhuǎn)速極值相差小于1.3%，綜合考量計(jì)算精度與時(shí)間成本，選擇方案2為最終的網(wǎng)格劃分方式，其網(wǎng)格總數(shù)為259.5萬(wàn)。

1.3 數(shù)值解法及邊界條件

計(jì)算采用三維CFD 商用軟件FLUENT 16.0，數(shù)值計(jì)算模型為：對(duì)流項(xiàng)為二階迎風(fēng)格式；擴(kuò)散項(xiàng)為中心差分格式；速度壓力的耦合方式為壓力的隱式算子分割算法（PISO）；湍流模型為Realizablek-ε湍流模型［21，22］。模型邊界條件主要為上下游進(jìn)出口、葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)和閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程，管道進(jìn)口和出口采用壓力進(jìn)出口邊界條件［23］，進(jìn)出口剖面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的壓力值呈梯形分布，由各個(gè)節(jié)點(diǎn)幾何高程與水面距離換算得到，并由UDF 輸入關(guān)于節(jié)點(diǎn)高程的函數(shù)表達(dá)式后賦值，上游水面高程-1.3 m，下游水面高程43.7 m。葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)基于滑移網(wǎng)格（Moving Mesh）方法［24，25］，其控制規(guī)律通過(guò)UDF 功能控制，具體為：水泵正常運(yùn)行工況下，設(shè)置葉輪的轉(zhuǎn)速n恒定為300 r/min，在2 s開(kāi)始停泵后，葉輪轉(zhuǎn)速由公式（7）控制，并在每個(gè)時(shí)間步進(jìn)行更新。

式中：M為停泵葉輪葉片力矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；dt為時(shí)間步長(zhǎng)；dω為角速度差，ωn表示當(dāng)前步角速度；ωn+1表示下一步角速度。為了簡(jiǎn)化模型，公式（7）中省略了葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械摩擦力矩和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子阻力矩。

出口閥門(mén)采用直線關(guān)閉規(guī)律，額定停泵工況下閥門(mén)開(kāi)度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖2 所示，離心泵葉輪于2 s 斷電，出口閥門(mén)同時(shí)開(kāi)始關(guān)閉，經(jīng)20 s 后于22 s 時(shí)完全關(guān)閉。3 種不同類(lèi)型閥門(mén)的關(guān)閉過(guò)程如圖3 所示，其中蝶閥與球閥模型采用滑移網(wǎng)格方法控制閥體的轉(zhuǎn)動(dòng)，閘閥模型采用鋪層網(wǎng)格方法控制閥體關(guān)閉。

圖2 額定工況停泵時(shí)閥門(mén)與葉輪控制規(guī)律Fig.2 Control law of valve and impeller under rated stopping condition

圖3 3種不同類(lèi)型閥門(mén)的關(guān)閉過(guò)程Fig.3 Closing process of different types of valves

2 結(jié)果與分析

2.1 不同閥門(mén)類(lèi)型對(duì)水泵外特性的影響

圖4為額定關(guān)閥時(shí)間下出口閥門(mén)類(lèi)型不同時(shí)停泵過(guò)程中各參數(shù)變化圖，主要為流量Q、轉(zhuǎn)速n、揚(yáng)程H與軸向水推力Fz的變化規(guī)律，其中葉片軸向力的正方向?yàn)橄蛳?。?dāng)出口閥為蝶閥時(shí)的停泵過(guò)渡過(guò)程如下：在離心泵斷電同時(shí)，出口閥門(mén)開(kāi)始關(guān)閉，機(jī)組流量于4.38 s 時(shí)降為0，轉(zhuǎn)速于5.23 s 時(shí)降為0，因而停泵過(guò)程的3 個(gè)工況階段為：2～4.38 s 為停泵水泵工況，4.38～5.23 s 為停泵制動(dòng)工況，5.23 s 之后為停泵水輪機(jī)工況，且各參數(shù)于22 s后逐漸趨于穩(wěn)定值；在停泵水泵工況期間：水泵流量、轉(zhuǎn)速迅速下降，水泵揚(yáng)程H先迅速下降，之后在0 值附近小幅振蕩；葉輪的軸向力水推力Fz于2.59 s 時(shí)達(dá)到反向最大值-20.83 kN；在停泵制動(dòng)工況期間：機(jī)組流量倒流，葉輪轉(zhuǎn)速方向?yàn)檎肄D(zhuǎn)速值減??；在5.23 s之后的停泵水輪機(jī)工況期間：水泵機(jī)組流量和轉(zhuǎn)速均為反向，且水泵流量與轉(zhuǎn)速的反向最大值均出現(xiàn)在停泵水輪機(jī)工況，反向流量于10.49 s 時(shí)達(dá)到反向最大值-12.9 m3/s，反向轉(zhuǎn)速于10.64 s時(shí)達(dá)到反向極值-327.56 r/min。

圖4 設(shè)置不同類(lèi)型閥門(mén)停泵過(guò)程的參數(shù)變化Fig.4 The changing laws of parameters with different valves

水泵出口閥為球閥時(shí)，停泵過(guò)程中的參數(shù)變化曲線與蝶閥時(shí)的差異較小。此時(shí)水泵流量在4.40 s 時(shí)降為0，轉(zhuǎn)速在5.24 s時(shí)降為0，流量和轉(zhuǎn)速的變化在15 s 之前與出口閥為蝶閥時(shí)的曲線近乎重合。在15～22 s，配置球閥時(shí)的流量減小速率相較蝶閥略緩慢，原因是蝶閥閥體在關(guān)閥后期對(duì)流量有更強(qiáng)的截?cái)嘈?yīng)。

水泵出口閥為閘閥時(shí)，其停泵過(guò)程的前半段與前二者差別較小，而其后半段有較大差異。在停泵前半段水泵流量于4.37 s 時(shí)降為0，轉(zhuǎn)速于5.21 s 時(shí)降為0，數(shù)值與其他閥門(mén)類(lèi)型近似。水泵流量、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程與葉片軸向力變化曲線的差別主要集中在關(guān)閥的后半部分，在10～22 s 時(shí)間段內(nèi)，流量及轉(zhuǎn)速的反向極值略大于出口閥為蝶閥和球閥的工況，而其反向流量與轉(zhuǎn)速的減小速率遠(yuǎn)小于配置蝶閥與球閥時(shí)的情況，可見(jiàn)當(dāng)出口閥門(mén)為閘閥時(shí)，在同樣的關(guān)閥控制規(guī)律下，閘閥的截流能力在三者中最小，且遠(yuǎn)小于其余二者。

表1 為出口閥門(mén)為蝶閥、球閥和閘閥的水泵停泵過(guò)程中反向流量、反向轉(zhuǎn)速及反向軸向力的最大值，其中配置蝶閥與球閥時(shí)的反向極值數(shù)值相近，而配置閘閥時(shí)的反向極值差別明顯。由于軸向水推力在反向極值時(shí)刻處于小幅正當(dāng)狀態(tài)，因而3種閥門(mén)下的軸向水推力的反向極值有小幅區(qū)別。配置閘閥對(duì)參數(shù)反向極值的影響主要體現(xiàn)在流量和轉(zhuǎn)速上，配置閘閥時(shí)的反向流量及反向轉(zhuǎn)速均增加，且由圖4 可知配置閘閥時(shí)發(fā)生反向流量與轉(zhuǎn)速極值的時(shí)間點(diǎn)均大幅延后于配置蝶閥與球閥時(shí)的工況。

表1 停泵過(guò)程中各參數(shù)的反向極值Tab.1 Reverse extreme values of parameters

綜上可知，配置3 種不同類(lèi)型出口閥門(mén)水泵按相同直線關(guān)閉規(guī)律停泵后，配置閘閥的水泵停泵特性與其他二者差異明顯，其中參數(shù)的反向極值差異主要體現(xiàn)在流量和轉(zhuǎn)速上，相較于蝶閥，配置閘閥時(shí)最大反向流量增加5.2%，最大反向轉(zhuǎn)速增加4.1%。

2.2 不同閥門(mén)類(lèi)型對(duì)流場(chǎng)內(nèi)特性的影響

停泵過(guò)程中，伴隨著流量與葉輪轉(zhuǎn)速的迅速變化，輸水系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)變化頻繁，其中更以葉輪及閥門(mén)區(qū)域?yàn)樽睿煌y門(mén)類(lèi)型對(duì)流場(chǎng)變化的影響可與外特性參數(shù)的變化規(guī)律相互印證。初始0 s時(shí)的葉輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，圖5為停泵過(guò)程中配置不同出口閥門(mén)時(shí)葉輪葉片壓力分布對(duì)比圖，壓力分布所在時(shí)間點(diǎn)均為13 s，葉片外側(cè)為壓力面，內(nèi)側(cè)為吸力面。在13 s 時(shí)，各工況水泵均處于停泵水輪機(jī)工況，水流反向且反向流量較大，葉輪旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)換至逆時(shí)針，原先葉片出口變?yōu)樗鬟M(jìn)口，水流進(jìn)入葉輪區(qū)域產(chǎn)生的撞擊與脫流造成了13 s 時(shí)葉片上的局部高壓與負(fù)壓區(qū)域，易出現(xiàn)負(fù)壓空化的不利現(xiàn)象。當(dāng)出口閥門(mén)類(lèi)型不同時(shí)，其壓力分布的差異與內(nèi)特性參數(shù)之間的差異規(guī)律相似，即配置蝶閥與球閥工時(shí)葉片壓力分布差異較小，而配置閘閥與前二者的差別增加，主要體現(xiàn)為葉片壓力面上的低壓區(qū)范圍更小，其吸力面上的高壓區(qū)范圍更大，而這與圖4中配置閘閥的揚(yáng)程在13 s時(shí)更大的結(jié)果相一致。

圖5 停泵過(guò)程中葉輪葉片上的壓力分布Fig.5 Pressure distribution on blades during shutdown

由圖4 與圖5 已知在停泵過(guò)程中，水泵外特征參數(shù)變化曲線及葉片壓力分布在配置蝶閥與球閥時(shí)差異較小，因而在分析配置不同閥門(mén)類(lèi)型的停泵過(guò)程閥門(mén)區(qū)域流場(chǎng)差異時(shí)，僅選取蝶閥與閘閥為對(duì)比對(duì)象，省略球閥。圖6 為額定停泵工況下閥門(mén)區(qū)域的壓力與速度變化對(duì)比圖，由圖2 閥門(mén)關(guān)閉控制規(guī)律可知不同類(lèi)型閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間均為2 s至22 s，圖中的方向標(biāo)識(shí)為額定運(yùn)行狀態(tài)下的水流流向。在停泵過(guò)程中，閥門(mén)左側(cè)水泵側(cè)的壓力呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，閥門(mén)右側(cè)壓力箱側(cè)的壓力呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。比較配置蝶閥與閘閥時(shí)的壓力及速度分布變化可見(jiàn)兩者有較大的不同：在閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，蝶閥水泵側(cè)的壓力變化減小速度較閘閥更快，且蝶閥壓力箱側(cè)的壓力上升速度也更快。比較不同閥門(mén)類(lèi)型對(duì)管道內(nèi)流速的影響可見(jiàn)，在11 s時(shí)，蝶閥的上下側(cè)均出現(xiàn)因流道急速收縮而出現(xiàn)的高速區(qū)域，而閘閥管道內(nèi)的高速區(qū)域在13 s 時(shí)才出現(xiàn)，即在相同的直線關(guān)閉規(guī)律下，由閥門(mén)處的內(nèi)特性流場(chǎng)變化可知，蝶閥對(duì)水流的截?cái)嘈?yīng)更強(qiáng)，這與圖4 中參數(shù)特性變化所反映出來(lái)的規(guī)律相一致。

圖6 蝶閥與球閥部件處的流場(chǎng)變化Fig.6 Variation of flow field for butterfly valve and ball valve

2.3 縮短關(guān)閥時(shí)間對(duì)配置不同閥門(mén)時(shí)差異的影響

額定工況下的閥門(mén)控制方式為2 s 至22 s 歷時(shí)20 s 的直線關(guān)閉規(guī)律，為探究不同關(guān)閥時(shí)間下配置不同閥門(mén)時(shí)的差異，縮短直線關(guān)閥時(shí)間至5 s，此時(shí)停泵參數(shù)的變化曲線如圖7 所示。與額定20 s 停泵工況相似，當(dāng)關(guān)閥時(shí)間為5 s 時(shí)，水泵內(nèi)依舊有倒流現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速同樣發(fā)生反轉(zhuǎn)，但是反向流量及反向轉(zhuǎn)速的極值大幅減小。對(duì)比揚(yáng)程變化曲線可見(jiàn)，在20 s 關(guān)閥工況時(shí)，揚(yáng)程曲線后段為平緩降至0，而在5 s 關(guān)閥工況時(shí)，揚(yáng)程曲線后段伴有強(qiáng)烈振蕩。這是由于在兩種工況的關(guān)閥后段，流量均為倒流，20 s工況的關(guān)閥時(shí)間更長(zhǎng)，流量減小時(shí)間較5 s工況更長(zhǎng)，在5 s 的關(guān)閥工況中，倒流流量在極短時(shí)間內(nèi)降為0，導(dǎo)致水泵出口處壓力的迅速減小及之后的壓力振蕩，同時(shí)體現(xiàn)為揚(yáng)程曲線上的減小及振蕩。

圖7 關(guān)閥時(shí)間為5 s時(shí)的停泵參數(shù)變化Fig.7 Changes of parameters when valve′s closing time is 5 s

在5 s 之前，配置不同閥門(mén)的停泵參數(shù)變化曲線是相似的，軸向水推力的反向極值發(fā)生在停泵剛開(kāi)始時(shí)刻，因而配置不同閥門(mén)類(lèi)型的軸向水推力反向極值在5 s 關(guān)閥時(shí)同樣差別不大。配置不同類(lèi)型閥門(mén)的停泵揚(yáng)程曲線變化整體是相似的，均為關(guān)閥開(kāi)始時(shí)的迅速下降，及關(guān)閥末期的小幅振蕩。比較流量與轉(zhuǎn)速變化曲線，可見(jiàn)配置蝶閥與球閥時(shí)的停泵參數(shù)曲線較閘閥更加接近，配置閘閥的停泵參數(shù)曲線較前二者有較大差別，且其流量與轉(zhuǎn)速在倒流時(shí)段內(nèi)的差別較20 s 關(guān)閥工況的差別顯著增加。

表2 為關(guān)閥時(shí)間為5 s 時(shí)，出口閥門(mén)為蝶閥、球閥和閘閥的停泵過(guò)程中反向流量、反向轉(zhuǎn)速及反向軸向力的最大值，而配置閘閥時(shí)的反向極值百分比差別顯著大于時(shí)間為20 s 的情形。配置閘閥的5 s 關(guān)閥工況下時(shí)，其流量的反向極值超出配置蝶閥工況的50%，其轉(zhuǎn)速的反向極值超出配置蝶閥工況的100%，而這兩個(gè)數(shù)值在關(guān)閥時(shí)刻為20 s時(shí)均小于10%。產(chǎn)生這一差異的原因是在20 s關(guān)閥時(shí)反向極值出現(xiàn)在關(guān)閥中間時(shí)段，而在5 s關(guān)閥時(shí)反向極值出現(xiàn)在關(guān)閥的末端，由章節(jié)2.1 及2.2 的分析已知閘閥與其余二閥門(mén)的差異主要集中于關(guān)閥后段，因而在5 s關(guān)閥工況中，配置閘閥停泵參數(shù)的反向極值與其余二閥門(mén)的差異增大。

表2 關(guān)閥時(shí)間為5 s時(shí)各停泵參數(shù)的反向極值Tab.2 Reverse extreme values of parameters when valve′s closing time is 5 s

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)水泵輸水系統(tǒng)的出口閥門(mén)分別為蝶閥、球閥和閘閥時(shí)，配置蝶閥與球閥時(shí)的停泵參數(shù)變化規(guī)律相似，而在配置閘閥時(shí)有明顯差別，此時(shí)流量與轉(zhuǎn)速的反向極值相較于蝶閥增加5.2%與4.1%。

（2）系統(tǒng)停泵特性在配置閘閥與配置蝶閥、球閥時(shí)產(chǎn)生差異的原因?yàn)殚l閥的水流截流能力更弱，比較停泵過(guò)程中不同閥門(mén)區(qū)域的內(nèi)部流場(chǎng)特性，發(fā)現(xiàn)這種截流能力的差別主要體現(xiàn)在關(guān)閥后半段。

（3）減小閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間后，配置閘閥時(shí)停泵流量與轉(zhuǎn)速的反向極值相較于蝶閥增加50%和100%以上，這是因?yàn)闇p小關(guān)閥時(shí)間使得反向極值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)移動(dòng)至關(guān)閥后半段，而在此階段內(nèi)閥門(mén)間過(guò)流特性差異增大。