1 概述

近年來，隨著我國城市工業(yè)的快速發(fā)展和國家對水利基礎設施建設的重視，長途、跨流域、大規(guī)模的水利調(diào)節(jié)項目相繼啟動。長途水利調(diào)節(jié)工程具有水利調(diào)節(jié)流量變化大或水源水庫水位變化大的特點，導致輸水端在小流量或水源水庫高水位時，不僅需要流量調(diào)節(jié)，還需要消除剩余水能。因此，在長途引水中經(jīng)常設置排水消耗閥。中國已建成的南水北調(diào)、山西黃引水、黑龍江磨盤山引水工程均設有排水閥，但上述大型引水工程中使用的最大排水閥直徑為1.8萬mm。直徑大于2000mm調(diào)流閥在國內(nèi)大型引水工程中尚未采用先例，大口徑調(diào)流閥在大型引水工程中的可靠性有待研究。

2 活塞式調(diào)流閥與錐形閥比較

目前常用的調(diào)流消能閥主要有活塞式和固定錐形?；钊秸{(diào)流閥的運動部件為活塞，通過活塞軸向運動改變活塞與外套筒之間的過流面積來實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。錐形閥的運動部件為外套筒，通過外套筒軸向運動改變固定錐與外套筒之間的過流面積。

與活塞閥相比，錐形閥具有以下優(yōu)缺點：

a.消能活塞式調(diào)流閥的節(jié)流部件為網(wǎng)狀或條形開孔運動部件，在小開度運行時容易堵塞原水。錐形閥過流為環(huán)形開孔部分，原水不易堵塞。

b.活塞閥消能部件和調(diào)流部件布置緊湊，閥體尺寸小。錐形閥的消能和調(diào)流分開布置，閥體尺寸較長。

c.閥體內(nèi)活塞閥的運動部件，操作維護復雜。錐形閥的運動部件在閥體外，操作維護方便。

d.錐形閥為雙軸驅(qū)動套筒結構，直徑對操作結構的穩(wěn)定性影響較小?；钊{(diào)流閥由單軸驅(qū)動，內(nèi)部活塞直徑越大，單桿驅(qū)動穩(wěn)定性越差，直徑大于2萬mm活塞式調(diào)流閥存在運行穩(wěn)定性差的缺點。目前，我國最大的單軸驅(qū)動活塞式調(diào)流閥直徑為1.8m，最大空型錐形閥的直徑為4m。

通過以上比較以看出，兩種調(diào)流閥各有優(yōu)缺點，直徑小于2m在線活塞式調(diào)流閥應用廣泛，技術成熟。然而，大口徑活塞式調(diào)流閥存在操作穩(wěn)定性差的缺點，因此從結構上看，錐形閥更適合作為大口徑調(diào)流閥?？招腻F形閥使用歷史悠久，技術成熟，早已為人們所熟知。然而，作為一種在線調(diào)流閥，它在工程中的應用較少，其可行性也受到質(zhì)疑。以下詳細論證了錐形閥用于在線調(diào)流和消耗能量的可靠性。

33固定錐閥消能效果論證

3.錐形消能閥的技術性能

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3.1.1閥門的消能和耐氣蝕性

錐形消能閥作為在線式調(diào)流閥不但應具有調(diào)流功能還應具有良好的消能能力。在線式的錐形閥內(nèi)部結構見圖1。從結構圖上可以看出，在線式的錐形閥在出口加裝了速度導流器和能量導流裝置，保證消能閥具有良好的消能效果和抗氣蝕能力。

圖1 錐形閥結構示意圖

錐形閥后面設有能量導流器，使出口高速水流與導流片碰撞，減少速度水頭和能量。未安裝能量導流器的錐形閥具有60%的消能率和90%的消能率。

消能閥最大的問題是在前后壓差大、開度小的情況下運行時，出口高速流出，出口管壁容易發(fā)生氣蝕。固定錐閥后端為錐形結構，使氣蝕部位不在噴嘴管壁上。通過設置在閥門后端的速度和能量導流器，氣蝕區(qū)域與閥體的金屬壁分開，氣泡在閥體內(nèi)部破裂，而不是在閥體內(nèi)的金屬壁上破裂。同時，能量導流器可以避免閥門后端管道的氣蝕損壞。即使出口壓力為負壓，也能保證良好的耐腐蝕性。當大壓差消能運行時，允許的噴嘴流量可達16m/s，耐腐蝕指數(shù)可達0.15.耐氣蝕性好。

高壓差出口高速出口時，出口水流通過導流裝置快速混合，成為穩(wěn)定的層流，對閥后管道影響不大。增加速度導流器和能量導流裝置的在線調(diào)流錐閥，允許前后最大壓差為2MPa。

3.1.2 閥門的過流能力

當消能閥處于高水頭時，盡可能減少水頭，當?shù)退^時，需要更大的流量。因此，它不僅要有消除能力，而且要有更好的過流能力。過流能力取決于最大開度下的流阻系數(shù)，消能固定錐閥最大開度下的流阻系數(shù)為1.35~2。流阻系數(shù)與活塞式消能閥基本相同。

3.1.閥門的可靠性

固定錐形閥上有人孔，可通過人孔進入閥體進行維護，無需拆卸閥體。固定錐閥驅(qū)動機構位于閥體外，維護方便。固定錐閥的前端密封采用金屬硬密封，在閥的使用壽命內(nèi)無需更換。

錐形結構簡單，整體結構完全對稱，運行穩(wěn)定，振動小，磨損少，可靠性高。

3.2錐閥模型試驗

1989年，最早在美國放空的錐形閥Hartman該公司進行了模型測試。1997年和1999年，在美國猶他州水能實驗室完成了在線錐形閥模型測試DN試驗測量150在線錐形閥的流量系數(shù)、阻力系數(shù)、消能率、氣蝕系數(shù)和補氣。主要試驗結果如下：

a.出口最高流量達到16m/s，閥門無振動。

b.帶速度導流器錐形閥全開度下的流量系數(shù)為950，能量消除率為55%~65%，全開度阻力系數(shù)為1.2.10%開度阻力系數(shù)為100。

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c.帶速度和能量導流器錐閥全開度下的流量系數(shù)為910，能量消除率為90%，全開度阻力系數(shù)為1.5.10%開度阻力系數(shù)為110(見圖2)。

圖2 帶能量導流器和速度導流器的錐閥排放系數(shù)曲線

d.能量導流器錐形閥的帶速和耐腐蝕系數(shù)達到3.5（見圖3）。

圖3 帶能量導流器和速度導流器的錐閥氣蝕性曲線

錐形閥的結構分析和美國的模型試驗報告證明，帶速度和能量導流器的錐形閥具有良好的能量消耗、耐腐蝕和流量調(diào)節(jié)性能，完全可行。

4 工程實例

據(jù)相關資料介紹放空型的錐形閥早在1940年在美國開始生產(chǎn)并投入使用，在線式錐形閥于1997年開始研發(fā)并投入使用。2003年建設的臺灣高雄引水工程采用的調(diào)流設備是DN本工程已運行多年，至今已運行良好。

2008年，我院設計的越南達門采用DN3000錐通消能設施，3000錐閥已成功投入運行。經(jīng)過多次技術分析論證，推薦觀音閣引水工程DN在線流量控制和消能閥采用2600錐形閥。

5 結論

通過以上對在線錐閥結構和模型試驗、技術性能參數(shù)分析和國內(nèi)外投入運行項目的介紹，可以證明錐閥作為在線排氣閥完全可行，可推薦在大型引水工程中使用。