某重點輸水工程取水首部調(diào)流消能閥模型試驗研究

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。

1 調(diào)流消能閥設(shè)置及運行情況

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

2 模型試驗方法

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》。

2.1 主要試驗項目和儀器設(shè)備

(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。

2.2 主要測量儀器布置與檢測方法

(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。

2.3 試驗技術(shù)路線

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。

3 試驗步驟

(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 DN2400PN10調(diào)流消能閥性能換算

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

3.2 各工況條件下的調(diào)流消流閥消能率計算

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)

4 試驗結(jié)果討論

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

4.1 閥門開度達(dá)到70%后，流量系數(shù)曲線逐步趨于穩(wěn)定變化

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。

4.2 流量特性曲線出現(xiàn)變異點

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。

4.3 特性曲線線性度改變的原因

(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。

5 結(jié)語

(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。