大口径调流阀应用研究
长距离引水中常设有调流消能阀。目前,小口径调流阀应用广泛、技术成熟,大口径的调流阀应用较少。本文通过对锥形阀和活塞阀两种形式调流阀的比较,以及对锥形阀结构和消能效果的分析论证,证明大口径调流阀采用锥形阀是完全可行的,这为在线式大口径调流阀型式选择提供了参考性建议。
1、概述
近几年，随着我国城市工业迅速发展，以及国家对水利基础建设的重视，长距离、跨流域、大规模调水工程陆续上马。长距离的调水工程都存在调水流量变化大或水源水库水位变化大的特点，由此造成输水末端在小流量或水源水库高水位时，不但需要调流还需要消去富余水能，所以，在长距离引水中都常设有调流消能阀。我国已建的南水北调、山西引黄、黑龙江磨盘山引水工程均设有调流阀，但在以上大型引水工程中使用的最大调流阀直径为1800mm。直径大于2000mm的调流阀在国内大型引水工程中尚未有使用先例，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为大口径调流阀在大型引水工程中应用的可靠性有待研究。
2、活塞式调流阀和锥形阀比较
目前，比较常用的调流消能阀主要有活塞式和固定锥形两种。活塞式调流阀的运动部件为活塞，流量调节是通过活塞轴向运动，改变活塞与外套筒间的过流面积实现的。锥形阀的运动部件为外套筒，流量调节是通过外套筒轴向运动，改变固定锥与外套筒间的过流面积实现调流的。
锥形阀与活塞阀比较，具有以下优缺点：
a.消能型活塞式调流阀的节流部件为网状或条形开孔运动部件，输送原水在小开度运行时易堵塞。锥形阀过流为环状开孔部分，输送原水不易堵塞。
b.活塞阀消能部件与调流部件布置紧凑，阀体尺寸小。锥形阀的消能与调流分开布置，阀体尺寸较长。
c.活塞阀运动部件在阀体内，运行维护复杂。锥形阀的运动部件在阀体外，运行维护方便。
d.锥形阀为双轴驱动外套筒结构，直径大小对操作结构稳定性影响小。活塞式调流阀为单轴驱动内部活塞，内部的活塞直径越大，单杆驱动的稳定性越差，所以直径大于2000mm的活塞式调流阀存在操作运行稳定性差的缺点。目前，在国内投入使用的最大单轴驱动的活塞式调流阀直径为1.8m，而最大放空型锥形阀直径为4m。
通过以上比较可以看出，两种型式调流阀各有优缺点，直径小于2m的在线式活塞式调流阀应用较多，技术成熟。但大口径活塞式调流阀存在操作稳定性差的缺点，所以从结构上看，锥形阀更适合作为大口径调流阀应用。放空型锥形阀使用历史悠久，技术成熟，已早被人们所熟知。但作为在线调流阀，在工程上应用较少，其可行性也备受质疑，下面对锥形阀用于在线调流消能的可靠性做详细论证。
3、固定锥形阀消能效果论证
3.1、锥形消能阀技术性能
3.1.1、阀门的消能和抗气蚀的能力
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
锥形阀后设能量导流器，使出口高速水流与导流片碰撞，消减速度水头，消减能量。未加装能量导流器的锥形阀，消能率为60%，加装能量导流器的锥形阀消能率达90%。
消能阀最大的问题是在前后大压差小开度条件下运行时，出口高速出流，出口管壁易气蚀。固定锥形阀后端为锥形结构，使气蚀发生的部位不在喷管的管壁上，通过设在阀门后端的速度和能量导流器，使气蚀区域与阀体的金属壁分开，气泡在阀体的内部破裂，而非在阀体内金属壁破裂，同时，能量导流器可以避免阀门后端管道受气蚀的破坏。即使在出口压力为负压时，仍保证良好的抗气蚀特性。大压差消能运行时，允许的喷管流速可达16m/s，抗气蚀指数可达0.15，具有较好的抗气蚀性能。
大压差出口高速出流时，通过导流装置，使出口水流迅速混合，变成稳定的层流，对阀后管道影响较小。加设速度导流器和能量导流装置在线式调流锥形阀，允许的前后最大压差为2MPa。
3.1.2、阀门的过流能力
消能阀在高水头时，尽可能消减水头，而在低水头时，又需要过更大的流量。所以，既要有消能能力，又要有较好的过流能力。过流能力取决于最大开度下的流阻系数，消能型固定锥形阀最大开度下的流阻系数为1.35～2。与活塞式消能阀的流阻系数基本一样。
3.1.3、阀门的可靠性
固定锥形阀阀门上设有人孔，不用拆卸阀体，即可通过人孔进入阀体进行维修。固定锥形阀驱动机构在阀体外部，维修方便。固定锥形阀的前端密封采用金属硬密封，阀门的寿命期内不需更换。
固定锥形结构简单，整个结构完全对称，运行稳定好，振动小，磨损少，可靠性较高。
3.2、锥形阀模型试验
放空型锥形阀最早于1989年在美国Hartman公司进行模型试验。在线式的锥形阀于1997年和1999年在美国犹他州水能实验室完成了在线式的锥形阀模型试验，对DN150的在线式锥形阀的流量系数、阻力系数、消能率、气蚀系数、补气进行试验测定。主要试验结果如下：
a.出口最高流速达到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，能量消除率达到55%～65%，全开度阻力系数为1.2，10%开度阻力系数为100。
c.带速度和能量导流器锥形阀全开度下的流量系数为910，能量消除率达到90%，全开度阻力系数为1.5，10%开度阻力系数为110(见图2)。
图2 带能量导流器和速度导流器的锥形阀排放系数曲线
d.带速度和能量导流器锥形阀的抗气蚀系数达到3.5(见图3)。
图3 带能量导流器和速度导流器的锥形阀气蚀性能曲线
对锥形阀的结构分析以及美国的模型试验报告证明带速度和能量导流器的锥形阀具有较好的消能、抗气蚀及流量调节性能，作为在线式调流阀是完全可行的。
4、工程实例
据相关资料介绍放空型的锥形阀早在1940年在美国开始生产并投入使用，在线式锥形阀于1997年开始研发并投入使用。2003年建设的台湾高雄引水工程采用的调流设备是DN2600的在线式锥形调流阀，该工程已运行多年，至今运行良好。
2008年，我院设计的越南达门采用DN3000锥形阀作为电站旁通消能设施，设备已成功投入运行。经过多方技术分析论证，观音阁引水工程推荐采用DN2600的锥形阀作为在线式流量控制及消能阀。
5、结论
通过以上对在线式锥形阀的结构和模型试验、技术性能参数分析研究以及国内外已投入运行工程的介绍，可以证明锥形阀作为在线式调流阀是完全可行的，可以在大型引水工程中推荐使用。
