水力式升船机控制阀门选型水力特性试验研究

摘要：

关键词：

水力式升船机;控制阀门;物模试验;流量系数;空化数;管壁压力;

基金:

云南省院士基金自由探索项目( HNKJ17-H19) ;

国家重点研发计划项目( 2016YFC0402001)

王 蛟( 1989—) ，男，工程师，博士，主要从事通航水力学研究。E-mail: jwang@ cqjtu. edu. cn

引用：

王蛟，胡亚安，严秀俊，等． 水力式升船机控制阀门选型水力特性试验研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 12) : 125-132.

WANG Jiao，HU Yaan，YAN Xiujun，et al． Experimental study on hydraulics of control valve selection for hydro-driven ship lift［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 12) : 125-132.

0 引 言

1 物理模型设计

试验在南京水利科学研究院多功能空化空蚀试验厅中进行。根据试验要求，研制了一种工业阀门水力特性试验装置，实现了供水供压系统、流量及压力微调的电动集成控制，可明显提高试验效率; 试验段前后设置了稳压段及泄压防爆阀，可保证试验条件的稳定性和安全性; 增设了透明玻璃管段，便于观察空化现象; 定制了掺气设备，可进行掺气试验研究。试验模型主 要由阀前整流段、试验阀门段、玻璃管道和阀后稳压 段组成，模型设计如图 2 所示，传感器具体布置如图 3 所示。

2 试验成果分析

2. 1 阀门流量特性

在通航建筑物输水系统中，阀门流量系数的一 般表达式为

(式中，μ 为流量系数; A 为 阀门过流面积; Q 为阀门过流流量; ρ为流体密度; P1、P2 分别为阀前、阀后参考断面稳定压力。 由式可知，流量系数即是阀门实际过流量与理想过流量的比值。由于存在局部阻力损失，实际过流量总是小于理想过流量。

2. 1. 1 流量系数随开度的变化

两类阀门的流量系数随开度的变化如图 4 所示。 可见，各开度下锥形阀流量系数均高于活塞阀。活塞阀全开流量系数为 0. 445，锥形阀全开流量系数为 0. 678。活塞阀流量系数－开度曲线呈 “S”型，锥形 阀流量系数－开度曲线的线性度相对更好。阀门具体开度下的流量系数与套筒行程密切相关，活塞阀通过曲柄活塞杆驱动套筒来实现阀门启闭，活塞杆 “S”型的运行行程决定了活塞阀流量系数－开度曲线的基本型式; 锥形阀则通过直杆驱动套筒，因此其流量系数－开度曲线的线性度更优。

体开度下的流量系数与套筒行程密切相关，活塞阀通过曲柄活塞杆驱动套筒来实现阀门启闭，活塞杆 “S”型的运行行程决定了活塞阀流量系数－开度曲线的基本型式; 锥形阀则通过直杆驱动套筒，因此其流量系数－开度曲线的线性度更优。

2. 1. 2 流量系数随背压、压差的变化

流量系数随背压、压差的变化可以通过流量系数随相对空化数的变化来说明，相对空化数越小，代表压差越大、空化越强。空化现象对阀门最直接的影响之一就是降低阀门的泄流能力，典型开度阀门流量系数与相对空化数的关系如图 5 所示。

σ/σi = 1，即是临界空化状态。由图可知，当 σ/σi ＞1 时，流量系数基本维持稳定; 在临界空化状态附近，流量系数存在 一个小幅突增过程，对于该现象的一种解释是， 在发生可监测到的空化现象前，于空化初生部位表面会形成细微气泡，这些气泡会在结构物表面与过流水 体间形成一层水气膜，将水流与结构物表面分离开来，近似于降低了结构物表面的糙率，从而小幅提高了过流能力。当 σ/σi＜1 时，流量系数随相对空化数的减小而逐渐下降。σ/σi≈0. 5 时，活塞阀流量系数降低约 10%，锥形阀降低约 5%。不同背压下，流量系数随相对空化数变化的差异不大( ＜ 2%) ，说明试验条件下，阀门过流水体已充分紊动，试验结果可以表征阀门的泄流能力。

2. 2 阀后管壁压力特性

为了定量比较两类阀门阀后管壁压力特性的具体差异，试验过程中，于部分开度进行了相同工况对比 试验( 上下游稳定压力相同) ，试验结果如图 6 所示。

压力特征值利用下游稳定压力( P2 ) 及断面平均速度 (ν) 进行无量纲化。由图可知，相同工况下，锥形阀阀后管壁的时均压力更高，压力脉动更弱。对比时均 压力分布情况可知: 不同开度下，活塞阀阀后沿程时均压力的分布情况在不断改变，说明活塞阀阀后流场结构不稳定; 锥形阀阀后沿程时均压力分布则较为稳定，不同开度下的区别很小。阀后水流流场结构对时 均压力的分布规律起决定性作用。活塞阀环状对冲出流，容易引起水流往复摆动，甚至形成漩涡流，套筒对阀门出流影响明显，因此活塞阀后管壁时均压力分 布情况随开度不断变化。锥形阀由于导流罩的整流作用，阀后流场结构简单，时均压力沿程分布差别不大。对比压力脉动情况可知: 两类阀门压力脉动系数沿程的分布规律类似，在阀口附近最大，而后迅速下 降，在阀后2 倍阀门通径附近降至稳定值; 锥形阀阀后沿程压力脉动系数值整体更低。空化程度越强，两类阀门阀口附近的压力脉动增幅越明显，且活塞阀增幅更大。这是因为空化泡加剧了水流紊动，导致脉动增强，而活塞阀阀后水流流态较差，因此紊动更剧烈。

2. 3 阀门空化特性

2. 3. 1 流场结构及空化现象

图 7为两类阀门在典型开度( 0. 3 开度)下的流场结构及空化现象，可见两类阀门的空化类型均以雾状空化为主。除雾状空泡外，活塞阀在 0. 3 开度出现了扭绳型细长空泡，是活塞阀流场结构的典型体现。该开度下，活塞阀套筒逐步脱离阀口，阀门在通过套筒侧孔出流的同时，开始从套筒与主廊道形成的间隙出流。活塞阀内聚对冲的出流方式，使得雾状空泡在该 开度得以汇聚束，于管道中心形成一股细长空泡，贯穿全管，细长空泡随水流摆动呈现螺旋形态。该现象体现了活塞阀阀后流场结构的不稳定性，对冲式出流容易引起水流往复摆动，对管壁的冲击更强。扭绳型空泡相对于雾状空泡而言，溃灭时冲击能力更高、对管壁的侵蚀作用更强。相对而言，锥形阀阀后的流场结构则较为简单，由于导流罩的整流作用，锥形阀出流近似等截面出流，雾状空化分布均匀，空泡细碎微小。

2. 3. 2 临界空化数

式中，σ 为空化数; Patm、Psv 分别为当地大气压及水的饱和蒸汽压; v 为参考断面平均流速。 空化数物理意义是阀后作用水头与阀门段总水头的比值。以 σi 表征水流处于临界空化状态，σ＞σi 时，表明阀门段无空化; σ≤σi 时，阀门段存在空 化。σi 越小，说明阀门空化初生时阀后作用水头越小，即阀门无空化的工作水头差越大，阀门的防空化性能越好。阀门临界空化的判别，主要通过综合耳听阀内噪声和阀门噪声特性来判断。阀门处于临界空化时，耳听阀内一般会有轻微的 “滋滋声”，空化噪声 会出现间断式压力脉冲。

由图 8 可知，各开度下锥形阀的临界空化数均大于活塞阀，临界空化数越小，表示抗空化性能越强， 可见锥形阀整体抗空化性能低于活塞阀。锥形阀临界空化数随开度增加逐渐增大，但增幅逐步减小，n = 0. 1 时，σi = 1. 0; n = 1. 0 时，σi = 3. 9，与流量系数的整体变化规律类似。活塞阀 n = 0. 1 时，σi = 0. 6; n = 1. 0 时，σi = 2. 6。可见，从相同开度角度对比分析，活塞阀的抗空化性能明显优于锥形阀。 为更直观地对比两类阀门的抗空化性能，现以 60 kPa 为背压，用临界空化数计算阀门各开度空化初生时的上游压力，如表 1 所列。

由表 1 可知，两类阀门随开度的增加，空化初生所需压力均逐步降低，其差值基本随开度的 增大而减小，最大差值为 0. 3 开 度的 144 kPa，最小差值为 1. 0 开 度的 23 kPa。说明从相同开度的角度对比分析，活塞阀的抗空化 性能明显优于锥形阀。但由于两类阀门在各开度的流量系数有较大区别，下面再从相 同流量系数的角度对比分析两类阀门的抗空化性能。 通过多项式插值反算，可得到两类阀门流量系数相同 时的临界空化数，如图 9 所示。

由图 9 可知，相同流量系数下，锥形阀临界空化 数依然均大于活塞阀，但整体差异明显低于相同开度 时的差别。活塞阀 0. 1 开度时，流量系数为 0. 02， 临界空化数为 0. 6，相同流量系数下锥阀临界空化数为 0. 66; 活塞阀 1. 0 开度时，流量系数为 0. 445，临界空化数为 2. 6，相同流量系数下锥阀临界空化数为 3. 29。同样以 60 kPa 背压计算各流量系数下的临界 空化数( 见表 2) 。

由表 2 可知，从相同流量系数的角度对比，两类阀门临界空化压差的最大差值为 0. 3 开度的 37 kPa， 最小差值为 1. 0 开度的 10 kPa，明显低于相同开度下的差别。说明从相同流量系数的角度对比分析，活塞阀的抗空化性能仅略好于锥形阀。锥形阀在实际开度 下的抗空化能力相对较差，可以理解为牺牲一定的抗 空化能力来 “换取”更高的过流能力。

2. 3. 3 空化噪声特性

如图 10 所示，两类阀门噪声特性的主要区别体 现在临界空化状态。典型开度下，活塞阀临界空化噪声声压级在优势频率区的数值基本相同，说明活塞阀的空化源较为固定。随开度增大，活塞阀空化噪声声压级在高频区逐步降低。说明开度较小时，水体流经阀门时的阻力较大，局部流速较高，更易产生高频噪声; 开度增大后，水体流经阀门时的阻力明显减小， 局部流速降低，噪声趋于低频。与活塞阀不同，随开度增加，锥形阀临界空化噪声声压级在优势频率区的数值在不断变化，说明锥形阀的空化源不止一处。导流罩中的出流挡板以及消能孔板也可能是空化源。

3 结 语

(2) 两类阀门均以雾状空化为主，活塞阀对冲出 流容易形成漩涡流，雾状空泡在漩涡流的作用下将汇聚成扭绳型空泡，对管壁的空蚀作用更强; 锥形阀出流较均匀，流场结构更简单，雾状空泡对管壁的空蚀作用相对较弱。两类阀门在相同流量系数下的临界空化数相差不大，说明锥形阀近似于牺牲一定的抗空化 性能换取了更高的泄流能力，而牺牲的抗空化性能可 以通过阀门防空化技术来弥补。

(3) 相同试验条件下，相对于活塞阀，锥形阀阀后管壁沿程的时均压力更高，压力脉动更弱; 阀门的出流方式对阀后管壁沿程压力分布规律的影响较大， 锥形阀出流更为均匀，阀后管壁沿程压力分布更为稳定。 综上可知，与活塞式调流阀对比，固定式锥形阀具有流量系数大、阀后流态简单稳定、管壁压力脉动更弱等优点，但其抗空化能力略差。因此，为了保障水力式升船机控制阀门及管道的运行安全与效率，进 一步深化研究工业阀门的防空化技术十分必要。

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