适应水击控制的多喷孔套筒式调流阀设计原理

    多喷孔套筒式调流阀的诞生已经有40年的历史（Miller，1969；Burg，1977），目前在输水工程中获得广泛应用。

    多喷孔套筒式调流阀有如下优点：（1）可以在高压差环境下，长期无气蚀运行；（2）可以全程（由全开到全关）调流调压，调流精度高，一般为过流量的±0.5%；（3）无危害性噪音和振动，用于清水时，可以长期无故障运行，使用寿命长达30～50年；（4）可以采用电力、液压等多种方式驱动，既可以现场操作，也可以远方控制；（5）消能、减压范围广，能适应上游水头的不断变化。

    现有多喷孔套筒式调流阀无量纲阀门流量系数S和开度y特性曲线是线性的，或者上凸的，最新的研究表明，对中高水头、长距离、大流量管道输水工程，现有调流阀特性的设计存在水击过程控制困难的问题，其原因是在大开度时，流量随开度y的减小改变不大，使得流量的改变集中在小开度，导致水击压力过大，或者关闭时间太长而无法实施。为此，2009年笔者针对一个实际工程研究了适应水击控制的多喷孔套筒式调流阀，并被工程设计采用。

    现在的问题是，应该依据什么设计适应水击控制的多喷孔套筒式调流阀?设计原理、方法、性能如何评估?

    对于管道水击，理想的水击控制多喷孔套筒式调流阀，简称为理想调流阀，特性是使流量随开度y线性变化，这时关闭阀门时的水压与关闭时间成正比，在相同的线性关闭时间，调流阀引起的水击压力升高最小。

    本文将首先研究理想调流阀设计原理，然后通过计算研究理想调流阀水击控制的效果。

    1 理想调流阀设计原理

    调流阀进出口水头损失可描述为

    式中，ΔH为调流阀的水头损失；Q为通过调流阀的水流流速；A为截面积；ζ为阀门局部阻力系数；g为重力加速度。

    式（1）可以改写为

    式中，ΔHr为调流阀全开，即y=1.0时的调流阀的水头损失，其中下标r表示调流阀全开；q=Q/Qr

    为无量纲阀门流量系数。

    图1为输水工程示意图。

图1 输水工程示意（高程单位：m）

    参考图1，管道上游水池与下游水库的伯努利能量方程为

    式中，z₁为上游水池水面高程；z₂为下游水库水面高程；S为管道阻抗系数。上式右边第三项表示线路水头损失。

    将式（2）代入得

    式中，Δz=z₁-z₂。

    由于阀门全开时 τ =1和Q=Qr，从式（4）可得

    当假设流量Q随阀门开度y线性变化时，有

    将式（5）和式（6）关系代入式（4）可得

    整理得

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    式（7）就是理想水击控制调流阀τ与y的关系。换句话说，只要满足式（7）条件，流量就随阀门开度线性变化。图2示出了理想调流阀无量纲阀门流量系数S与阀门开度y的关系曲线。显然，理想调流阀特性曲线是下凹型。

图2 理想调流阀特性曲线

    由

    可得

    式（8）就是理想水击控制调流阀F与y的关系。当给定、流量Qr和调流阀标称直径，则可由式（1）得到ΔHr，然后利用式（8）获得理想水击控制调流阀随y的变化规律，据此厂家可设计阀标称直径以及阀体上喷孔的大小及沿周向和轴向的分布规律。

    需要说明，上面的分析是基于恒定流动，没有考虑管道水击的影响。下面以一个工程实例分析水击的影响。

    2 理想调流阀水击控制效果

图3 引黄北干线倒虹线路管道高程

    山西省引黄北干线倒虹线路如图3所示，依靠重力输水。倒虹进口桩号为43755.64，管道中心高程为1242.80m。设置在线式多喷孔套筒式调流阀1，按2台工作1台备用考虑，单阀过流量按4.2m³/s设计，桩号为56520m，管道中心高程为1115.4m。倒虹出口处桩号为118 009.67，管道中心高程为1117.5m，设置球型阀2，后接水库，水库设计水位为1118.8m。线路全长74.25km，采用内径2.2m的PCCP输水。

    计算条件：倒虹吸管进口水位1247.3m，出口水库水位1118.8m；管道糙率n=0.012；调流阀采用线性关闭。

    初始条件：在线调流阀1和球型阀2全开，相对开度y=1.0，流量8.4m³/s。研究表明，采用原来厂家提供的多喷孔套筒式调流阀，即使调流阀线性关闭时间为1500s，阀前水压也高达149m水头，见图4，其中球型阀开度保持不变。

图4 原厂家调流阀关闭水击过渡过程

    当用理想控制调流阀代替原来的调流阀，将本工程参数Δz=128.5m、ΔHr=4.9m代入式（7）得

    据此可绘出如图5所示理想调流阀特性曲线。当理想调流阀线性关闭时间分别为200s、400s，则采用水击特征线方法计算（杨开林，2000）可得图6、图7所示水击过渡过程曲线，y1和q1分别是调流阀的相对开度和流量。

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图5 理想水击控制调流阀特性曲线

图6 理想调流阀关闭过渡过程

    从图6和图7可得下述结论：（1）受水击压力的作用，流量与阀门开度近似成线性关系；（2）阀前水压随关闭时间的增加显著减小；（3）在同样的阀前水压条件下，采用理想调流阀可以显著缩短线性关闭时间。比较图4和图6，虽然理想调流阀线性关闭时间由原来厂家调流阀的1500s减少到200s，但是两者阀前水压几乎相同。

    3 适应水击控制的多喷孔套筒式调流阀设计

    综上所述，理想调流阀改善管道水击控制效果非常显著。同时需要指出的是，由于理想调流阀流量与开度是线性正比关系，所以它也可以提高正常输水流量控制的精度。

图7 理想调流阀关闭过渡过程

    在理论上，制造厂可以通过设计阀标称直径以及阀体上喷孔的大小及沿周向和轴向的分布规律生产出理想调流阀，但是，在高水头、大流量条件下，可能会大大增加调流阀阀体尺寸和生产成本。在这种情况下，可以采用折衷的办法，生产实用的适应水击控制的多喷孔套筒式调流阀。其原则是：无量纲阀门流量系数S与阀门开度y特性曲线必须是下凹曲线或者折线，一般说来，设计的S与y曲线越接近理想调流阀越好。

    4 结语

    对于管道水击，理想的水击控制多喷孔套筒式调流阀特性是使流量随开度y线性变化，这时关闭阀门时的水压与关闭时间成正比，在相同的线性关闭时间，调流阀引起的水击压力升高最小。

    本文解析推导得到设计理想调流阀无量纲阀门流量系数S与阀门开度y的计算公式，证明理想调流阀特性曲线是下凹形。理想调流阀不仅能够显著提高管道水击控制效果，而且可以提高正常输水流量控制的精度。

    制造厂可以通过设计阀标称直径以及阀体上喷孔的大小及沿周向和轴向的分布规律生成理想调流阀，也可以采用折衷的办法，生产实用的适应水击控制的多喷孔套筒式调流阀。其原则是：无量纲阀门流量系数S与阀门开度y特性曲线必须是下凹曲线或者折线，一般说来，设计的S与y曲线越接近理想调流阀越好。