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。