大口径调流阀应用研究

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由济南乾扬智能科技有限公司发布发布时间：2022-11-05

1 概述

近年来，随着我国城市工业的快速发展和国家对水利基础设施建设的重视，长途、跨流域、大规模的水利调节项目相继启动。长途水利调节工程具有水利调节流量变化大或水源水库水位变化大的特点，导致输水端在小流量或水源水库高水位时，不仅需要流量调节，还需要消除剩余水能。因此，在长途引水中经常设置排水消耗阀。中国已建成的南水北调、山西黄引水、黑龙江磨盘山引水工程均设有排水阀，但上述大型引水工程中使用的最大排水阀直径为1.8万mm。直径大于2000mm调流阀在国内大型引水工程中尚未采用先例，大口径调流阀在大型引水工程中的可靠性有待研究。

2 活塞式调流阀与锥形阀比较

目前常用的调流消能阀主要有活塞式和固定锥形。活塞式调流阀的运动部件为活塞，通过活塞轴向运动改变活塞与外套筒之间的过流面积来实现流量调节。锥形阀的运动部件为外套筒，通过外套筒轴向运动改变固定锥与外套筒之间的过流面积。

与活塞阀相比，锥形阀具有以下优缺点：

a.消能活塞式调流阀的节流部件为网状或条形开孔运动部件，在小开度运行时容易堵塞原水。锥形阀过流为环形开孔部分，原水不易堵塞。

b.活塞阀消能部件和调流部件布置紧凑，阀体尺寸小。锥形阀的消能和调流分开布置，阀体尺寸较长。

c.阀体内活塞阀的运动部件，操作维护复杂。锥形阀的运动部件在阀体外，操作维护方便。

d.锥形阀为双轴驱动套筒结构，直径对操作结构的稳定性影响较小。活塞调流阀由单轴驱动，内部活塞直径越大，单杆驱动稳定性越差，直径大于2万mm活塞式调流阀存在运行稳定性差的缺点。目前，我国最大的单轴驱动活塞式调流阀直径为1.8m，最大空型锥形阀的直径为4m。

通过以上比较以看出，两种调流阀各有优缺点，直径小于2m在线活塞式调流阀应用广泛，技术成熟。然而，大口径活塞式调流阀存在操作稳定性差的缺点，因此从结构上看，锥形阀更适合作为大口径调流阀。空心锥形阀使用历史悠久，技术成熟，早已为人们所熟知。然而，作为一种在线调流阀，它在工程中的应用较少，其可行性也受到质疑。以下详细论证了锥形阀用于在线调流和消耗能量的可靠性。

33固定锥阀消能效果论证

3.锥形消能阀的技术性能

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3.1.1阀门的消能和耐气蚀性

锥形消能阀作为在线式调流阀不但应具有调流功能还应具有良好的消能能力。在线式的锥形阀内部结构见图1。从结构图上可以看出，在线式的锥形阀在出口加装了速度导流器和能量导流装置，保证消能阀具有良好的消能效果和抗气蚀能力。

图1 锥形阀结构示意图

锥形阀后面设有能量导流器，使出口高速水流与导流片碰撞，减少速度水头和能量。未安装能量导流器的锥形阀具有60%的消能率和90%的消能率。

消能阀最大的问题是在前后压差大、开度小的情况下运行时，出口高速流出，出口管壁容易发生气蚀。固定锥阀后端为锥形结构，使气蚀部位不在喷嘴管壁上。通过设置在阀门后端的速度和能量导流器，气蚀区域与阀体的金属壁分开，气泡在阀体内部破裂，而不是在阀体内的金属壁上破裂。同时，能量导流器可以避免阀门后端管道的气蚀损坏。即使出口压力为负压，也能保证良好的耐腐蚀性。当大压差消能运行时，允许的喷嘴流量可达16m/s，耐腐蚀指数可达0.15.耐气蚀性好。

高压差出口高速出口时，出口水流通过导流装置快速混合，成为稳定的层流，对阀后管道影响不大。增加速度导流器和能量导流装置的在线调流锥阀，允许前后最大压差为2MPa。

3.1.2 阀门的过流能力

当消能阀处于高水头时，尽可能减少水头，当低水头时，需要更大的流量。因此，它不仅要有消除能力，而且要有更好的过流能力。过流能力取决于最大开度下的流阻系数，消能固定锥阀最大开度下的流阻系数为1.35~2。流阻系数与活塞式消能阀基本相同。

3.1.阀门的可靠性

固定锥形阀上有人孔，可通过人孔进入阀体进行维护，无需拆卸阀体。固定锥阀驱动机构位于阀体外，维护方便。固定锥阀的前端密封采用金属硬密封，在阀的使用寿命内无需更换。

锥形结构简单，整体结构完全对称，运行稳定，振动小，磨损少，可靠性高。

3.2锥阀模型试验

1989年，最早在美国放空的锥形阀Hartman该公司进行了模型测试。1997年和1999年，在美国犹他州水能实验室完成了在线锥形阀模型测试DN试验测量150在线锥形阀的流量系数、阻力系数、消能率、气蚀系数和补气。主要试验结果如下：

a.出口最高流量达到16m/s，阀门无振动。

b.带速度导流器锥形阀全开度下的流量系数为950，能量消除率为55%~65%，全开度阻力系数为1.2.10%开度阻力系数为100。

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c.带速度和能量导流器锥阀全开度下的流量系数为910，能量消除率为90%，全开度阻力系数为1.5.10%开度阻力系数为110(见图2)。