固定錐形閥常用結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其排放系數(shù)探討

臧興華　袁邦　張希恒

摘 要：目前不少水電站為了保證機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)，不使河流斷流，保護(hù)下游環(huán)境，需要固定錐形閥進(jìn)行生態(tài)放流，要求有較高的排放系數(shù)，確保下游建筑物以及有壓管道經(jīng)濟(jì)安全，節(jié)省投資資金。文章對固定錐形閥的常用結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行對比分析，研究各種結(jié)構(gòu)的排放系數(shù)，為今后固定錐形閥的選用提供參考依據(jù)。文章介紹了固定錐形閥常用結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對各結(jié)構(gòu)的排放系數(shù)進(jìn)行CFD計(jì)算對比分析。

關(guān)鍵詞：固定錐形閥；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；排放系數(shù)

1 固定錐形閥的結(jié)構(gòu)

固定錐形閥由閥體、導(dǎo)流筋片、固定錐和調(diào)節(jié)套筒等主要部件組成。采用不銹鋼制造的調(diào)節(jié)套筒通過導(dǎo)流筋片安裝在閥體上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動套筒的移動來調(diào)節(jié)閥門過流面積。用于水利工程大壩放空、水電站機(jī)組旁路、水利或水電灌溉水系統(tǒng)專門的流量調(diào)節(jié)閥。

目前應(yīng)用最多的固定錐形閥的結(jié)構(gòu)有不帶導(dǎo)流罩（見圖1）和帶導(dǎo)流罩兩種（見圖2），閥門出口的應(yīng)用分大氣排放和淹沒排放兩種，因此就形成了以下四種組合：（1）對空排放，無導(dǎo)流罩；（2）對空排放，有導(dǎo)流罩；（3）淹沒出流，無導(dǎo)流罩；（4）淹沒出流，有導(dǎo)流罩。

2 固定錐形閥的特點(diǎn)

固定錐形閥對空排放的特點(diǎn)是其出口高速水流呈傘狀射入大氣中，通過與大氣的接觸和摩擦作用，大量的空氣與噴射水流相互混摻，水流呈霧化狀態(tài)，同時(shí)由于空氣阻力的作用使水流速度迅速減小，噴出一定距離后落入下游水池或河道中。排空形式的固定錐形閥安裝形式，操作和安裝簡單，因出口水流噴射距離較遠(yuǎn)，適用于下游有較大空間尺寸的場所。

固定錐形閥淹沒出流的特點(diǎn)是閥后的出口高速水流排入下游的消能池中，流動狀態(tài)由急流變?yōu)榫徚?，依靠水躍消能的作用，動能又迅速轉(zhuǎn)化為位能，經(jīng)過一段距離后能量得到消除。常在消能池中設(shè)置輔助的消能工，提高效能效果，減少水流對消能池壁的沖擊。適用于較小空間尺寸的場所。

固定錐形閥出口增設(shè)導(dǎo)流罩可收縮水流，減少水流噴射面積，但在高壓差工況下會帶來氣蝕，振動、噪音等問題。

3 固定錐形閥的排放系數(shù)比較分析

排放系數(shù)是表示閥門過流能力的一個(gè)常量，是固定錐形閥設(shè)計(jì)選型的重要參數(shù)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對排放系數(shù)的定義如下：

式中：H0-閥前總水頭，包括靜壓和動壓（速度水頭），m；P-閥后靜壓，m；A-閥門進(jìn)口過流面積，m2；Q-通過閥門的流量，m3/s。

對同一口徑固定錐形閥的四種組合，通過Ansys Fluent軟件，采用基于壓力基的分離式求解器進(jìn)行迭代計(jì)算，求解方法及控制參數(shù)設(shè)置如表1所示，分別計(jì)算各個(gè)開度下的閥前總水頭H0、閥后靜壓P和過閥流量Q代入式（1）中求得排放系數(shù)，整理的曲線如圖3所示。

從圖3分析得出：

（1）是否設(shè)置導(dǎo)流罩對排放系數(shù)的影響較大，但是在對空排放和淹沒排放的對比看，排放系數(shù)差別不大。

（2）四種組合的排放系數(shù)在60%開度之前差異不大，之后的差別才明顯。

（3）在有導(dǎo)流罩的結(jié)構(gòu)下，最大的流量并不是出現(xiàn)在全開狀態(tài)，而是大約在90%的開度下流量最大，這是因?yàn)樵谟袑?dǎo)流罩的情況下，紊流加劇，且在全開狀態(tài)下紊流嚴(yán)重影響了流量，這樣全開下反而流量下降了。在無導(dǎo)流罩的情況下，全開的紊流也有影響到流量，因此曲線斜率下降。

4 結(jié)束語

不同結(jié)構(gòu)的固定錐形閥的排放系數(shù)在開度60°以下區(qū)別不大，在更大開度時(shí)才有明顯區(qū)別。無導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的固定錐形閥對出口排放的空間要求高，帶導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)的固定錐形閥對出口排放的空間要求低，因此針對各項(xiàng)目的實(shí)際情況，對固定錐形閥進(jìn)行合理經(jīng)濟(jì)的選用。文章對固定錐形閥的選用，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要的指導(dǎo)意思。