林億群
(遼寧西北供水有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110003)
如何確定輸水工程調(diào)流消能閥的設(shè)計指標(biāo)是否滿足工程需求,是工程設(shè)計建設(shè)的難點和重點問題[1]。近些年來,國內(nèi)學(xué)者針對輸水工程消能閥的性能研究取得一定的研究成果[2-7],但是針對大口徑調(diào)流消能閥的研究還相對較少,尤其是在工程取水首部位置的研究國內(nèi)還未見到相關(guān)成果。在水利工程消能設(shè)計領(lǐng)域研究中,仿真試驗被認(rèn)定為一種較為行之有效的方式[8-13]。遼寧省某重點輸水工程取水首部選用DN2400大口徑調(diào)流消能閥,該類型口徑消能閥在國內(nèi)沒有實際應(yīng)用先例,為此采用仿真模型試驗的方法,對原型機大口徑調(diào)流消能閥進(jìn)行仿真模型試驗,從而確定設(shè)計的大口徑的調(diào)流消能閥是否可以達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。研究成果對于國內(nèi)輸水工程尤其是取水首部大口徑調(diào)流消能閥設(shè)計具有重要的參考價值。
省重點輸水工程取水首部設(shè)置一處消能建筑物,在該消能建筑物中裝有兩臺水輪發(fā)電機組和兩臺DN2400調(diào)流消能閥,該消能閥安裝于消能電站地下廠房內(nèi),出口為一段有壓隧洞接無壓隧洞,采用固定錐形閥加導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu),起調(diào)流消能的作用。該消能閥最大壓差為48.42m,閥門安裝高程為254m,尾水水位為262.19~265.94m。其主要工作參數(shù)見表1。
表1 省重點輸水工程取水首部調(diào)流消能閥運行工況參數(shù)表
本模型試驗主要參照標(biāo)準(zhǔn)為SL 155—95《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》和SL 498—2010《錐形閥參數(shù)、型式與技術(shù)條件》。
(1)實驗項目為對調(diào)流消能閥及導(dǎo)流罩進(jìn)行流動試驗,驗證各開度下過流能力、各開度下的消能率、典型工況下的振動和噪聲、典型工況下的壓力脈動和各種工況下的補氣情況。
(2)主要儀器設(shè)備為精密壓力表、電磁流量計、測振儀聲級計、氣體渦街流量計、照相機、攝像機、水泵、電機等。
(1)在閥門前設(shè)置一個電磁流量計。
(2)在閥門前放置一個精度較高的壓力測定儀器,P作為其儀器的標(biāo)號;儀器標(biāo)號為P1的放置在閥門出口位置;標(biāo)號為P2和P3的兩塊壓力表,分別放置在閥門的導(dǎo)流罩位置;編號標(biāo)注為P4和P5的壓力表分別安裝在距離閥門導(dǎo)流罩上部200mm及1000mm位置的雙法蘭短管上。
(3)使用測振儀沿管道方向檢測閥門垂向位移,在閥體筒上檢測閥門徑向位移。
(4)在距離閥門進(jìn)口1m處,使用測振儀聲級計檢測閥門的噪音分貝。
(5)在補氣管進(jìn)口安裝氣體渦街流量計,檢測閥門運行過程中補氣情況,同時安裝精密壓力表,檢測該點壓力并監(jiān)測是否出現(xiàn)負(fù)壓。
本模型試驗依據(jù)雷諾相似準(zhǔn)則、歐拉相似準(zhǔn)則設(shè)計,模型原型采用TS614H2400-10固定錐型調(diào)流消能閥,選定模型幾何比尺近似1∶9.6,模型閥型規(guī)格選定為DN250PN10、匹配導(dǎo)流罩,導(dǎo)流罩及出口管道采用全透明有機玻璃制作。調(diào)流消能閥按照幾何尺寸進(jìn)行原型模型設(shè)計,重要部位尺寸設(shè)計要按照模型設(shè)計進(jìn)行原有尺寸的保證,在邊界相似條件的原則上對閥門模型結(jié)構(gòu)及相應(yīng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行確定,在滿足功能條件的基礎(chǔ)上,對閥門的邊界條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)按照相似準(zhǔn)則進(jìn)行尺寸上的適當(dāng)調(diào)整。采用揚程較高的供水泵進(jìn)行模型供水試驗,供水流量通過電磁流量計進(jìn)行閥門流量的計量控制,旁通管可以安裝在閥門入口進(jìn)行分流試驗,閥門前的壓力通過調(diào)節(jié)閥門控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)穩(wěn)定,閥門前的水深通過循環(huán)抽水方式進(jìn)行控制。閥門測試壓力與原型機保持一致(部分工況點由于水泵容量不夠而出現(xiàn)少量差異),測試結(jié)果可直接評估氣蝕情況,無須換算。流量系數(shù)、流量需根據(jù)比例尺進(jìn)行相應(yīng)換算。
(1)各接管按照試驗設(shè)定的路線進(jìn)行布設(shè),對各接口及試驗管路進(jìn)行檢測,錐形閥前面水面淹沒的高度設(shè)置為8m。
(2)消能閥前面的壓力穩(wěn)定值設(shè)置為57m,在不同閥門開度下對其出口壓力、水流能力、出口壓力變動、噪聲等指標(biāo)進(jìn)行測定。開度從10%到100%,每次增加10%的開度。
(3)在閥前23m水頭下,求100%開度下閥門的最大流量能否達(dá)到0.41m3/s(最大流量系數(shù)點)。
(4)在以下三個工況下,測量閥門出口壓力、補氣量、噪聲、振動加速度、出口壓力脈動。三個工況分別為:在閥前57m及過閥流量0.108m3/s的條下(最小壓差點);在閥前46m及過閥流量0.108m3/s的條件下(最大流量系數(shù)點);在閥前42m及過閥流量0.488m3/s的條件下(最大流量點)。
3.1.1流量系數(shù)
(1)換算公式
依據(jù)雷諾相似準(zhǔn)則、歐拉相似準(zhǔn)則設(shè)計,模型原型采用TS614H2400-10固定錐型調(diào)流消能閥,選定模型幾何比尺近似為1∶9.6,依據(jù)公式如下:
(1)
(2)DN2400PN10調(diào)流消能閥流量系數(shù)
根據(jù)公式(1)和已知的DN250PN10調(diào)流消能閥流量系數(shù)得出DN2400PN10調(diào)流消能閥流量系數(shù),見表2。
表2 DN250PN10與DN2400PN10調(diào)流消能閥總流量系數(shù)
3.1.2特定工況的流量系數(shù)
流量系數(shù)計算公式如下:
(2)
(1)最小壓差點工況
依據(jù)表1摘錄該工況下數(shù)據(jù),見表3。
表3 最小壓差點工況
(2)最大流量系數(shù)點工況
依據(jù)表1摘錄該工況下數(shù)據(jù),見表4。
表4 最大流量系數(shù)點工況
(3)最大流量點工況
依據(jù)表1摘錄該工況下數(shù)據(jù),見表5。
表5 最大流量點工況
消能率計算基于以下公式:
(3)
式中,E1—閥前測壓點的流體全能量,mH2O;E2—閥最后一個測壓點的流體全能量,mH2O;P1—閥前測壓點靜壓,mH2O;P2—閥最后一個測壓點靜壓,mH2O;V1—進(jìn)口速度,m/s;V2—出口速度,m/s。
(4)
式中,Q—管道流量,m3/s;D1—閥門進(jìn)口直徑,m,D1=0.25m。
(5)
式中,D2—閥門出口直徑,m,D2=0.52m。由公式3可得以下各工況點消能率,結(jié)果見表6。
表6 各工況點消能率計算結(jié)果
依據(jù)Cv值的計算公式,假定閥后靜壓為零,導(dǎo)出消能率的計算公式如下:
(6)
由DN250PN10調(diào)流消能閥模型試驗得出的開度-流量系數(shù)曲線(圖1中試驗測試),可看出10%~70%開度時流量系數(shù)成近似線性關(guān)系,70%開度時流量系數(shù)最大,開度大于70%之后流量系數(shù)反而減小。
通過三維軟件建立與試驗閥門一樣的三維模型,運用CFD軟件進(jìn)行分析,得到的開度-流量系數(shù)曲線(圖1中CFD閥+罩)與試驗閥門的開度-流量系數(shù)曲線結(jié)果相互印證,且得出以下結(jié)論:
(1)CFD軟件分析結(jié)果與試驗結(jié)果接近;
(2)兩者趨勢相同,且均在70%開度達(dá)到最大值;
(3)單獨對閥(不含導(dǎo)流罩)進(jìn)行分析,曲線的線性度更好(圖1中CFD閥)。
圖1 模型試驗方法與CFD方法的開度-流量系數(shù)曲線對比試驗結(jié)果
閥門開度按照簡化的三角幾何函數(shù)進(jìn)行確定后,可以推算出其閥門口徑是閥門開口長度的2.18倍,閥門進(jìn)口和出口面積相同,而在實際過程中受到套筒等性能影響,兩個指標(biāo)之間的倍數(shù)關(guān)系會有所偏離,DN250模型閥行程總距離可以達(dá)到152mm,當(dāng)0.5倍的閥門通徑達(dá)到閥門開口長度125mm時,閥門密封5mm空隙可以達(dá)到0.4256倍的閥門通徑。
S進(jìn)口面積=2502×π/4=49087mm2;
S套筒過流面積=(125+67.5)×81.3×π=49166mm2;
S套筒匝過流面積=(135+84.3)×71.7×π=49398mm2。
此時,S套筒匝過流面積>S套筒過流面積>S進(jìn)口面積。若行程繼續(xù)加大,受套筒過流面積的限制,流量系數(shù)不會加大,具體示意如圖2所示。
圖2 DN250PN10模型閥進(jìn)出口面積示意圖(單位:mm)
由此可見:
①當(dāng)開度為70%的DN250閥門總行程達(dá)到106.4mm時,閥門出口處于閉流狀態(tài),套筒決定其水流過水能力。
②閥門開口和行程倍率值分別達(dá)到0.5倍和0.4256倍,后期閥門厚度以及規(guī)格有所變化,但不是穩(wěn)定變化的。
③模型試驗與計算值吻合度高,最大流量出現(xiàn)在開度為70%時。
當(dāng)閥門行程和開度過高時,套筒匝的節(jié)流能力有所減弱,從而對水流狀態(tài)產(chǎn)生干擾和影響,水流過流能力得到降低。
(7)
因此,調(diào)流消能閥與導(dǎo)流罩串聯(lián)后,整體的流量系數(shù)符合上述公式,若調(diào)流消能閥流量系數(shù)是線性的,則整體的流量系數(shù)變成一條外凸的曲線。由此該模型閥達(dá)到了設(shè)計要求,可以安全、可靠運行。
(1)消能閥行程和開口過高,套筒匝不再受行程改變而產(chǎn)生節(jié)流作用,反而對水流狀態(tài)產(chǎn)生干擾和影響,從而降低過水能力。
(2)調(diào)流消能閥在實際運行時消能率僅由工況確定,給定工況就可以由公式計算出其消能率,實際消能效果和運行參數(shù)可以通過調(diào)節(jié)開度達(dá)到。
(3)開度為10%~70%時,調(diào)流消能閥流量系數(shù)成近似線性關(guān)系,開度為70%時流量系數(shù)最大,開度大于70%之后流量系數(shù)將會減小。