多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理

之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應(yīng)用，現(xiàn)在介紹多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒式調(diào)流閥特性是使流量隨開度y線性變化，這時關(guān)閉調(diào)流閥引起的水擊壓力升高小。本文推導(dǎo)得到理想調(diào)流閥無量綱閥門流量系數(shù)S與開度y和管路特性之間的解析計算公式，計算研究了理想調(diào)流閥水擊控制的效果，提出了具體的實施方法。

    多噴孔套筒式調(diào)流閥的誕生已經(jīng)有40年的歷史目前在輸水工程中獲得廣泛應(yīng)用。多噴孔錐形控制閥是型的控制閥。它可調(diào)節(jié)壓力或控制流量而沒有任何操作的限制，使用*的方式，消除水力能量，而沒有一般控制閥的沖蝕和震動問題。
KARON可消除能量，乃是利用多噴孔的結(jié)構(gòu)，水經(jīng)由各個噴孔噴出并相互碰撞，水柱的互相沖擊會使速度能量*消失，此設(shè)計會使所有噴出的水柱在閥中心軸絲上相互沖擊。
為了使所有噴出的水柱能集中相互沖擊，必須使各點(diǎn)壓力或速度水頭保持在每一噴孔前達(dá)到一致。KARON 410角型即是由進(jìn)口端的主軸偏向一邊，使進(jìn)口端之空間逐漸縮小，達(dá)到表面壓力的一致性。在KARON711軸流型中，是利用一個特殊速度導(dǎo)引裝置沿著錐形管作水平運(yùn)動，以保持各點(diǎn)壓力一致。
KARON是將速度水頭損失在噴孔前消除，使得震動得以減少，并利用的設(shè)計將沖蝕現(xiàn)象局限于錐形管中心，同時整個為水所包圍，此時水中之氣泡會很不穩(wěn)定并且在水中破裂，但不會在閥壁上破裂，如此可消除噪音、振動、避免閥的損壞。

 
多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理優(yōu)點(diǎn)：
--- 無需背壓
--- 無起動流速限制，即使有部份水流遭到堵塞。
--- 短的面間距離。
--- 內(nèi)部*水流之零件設(shè)計。
--- 無沖蝕指數(shù)限制。
--- 在所有操作狀態(tài)下，*無振動。
--- 標(biāo)準(zhǔn)化及之設(shè)計。
--- 適合遙控或SCADA監(jiān)控系統(tǒng)。
多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理多噴孔套筒式調(diào)流閥有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以在高壓差環(huán)境下，無氣蝕運(yùn)行；

（2）可以全程（由全開到全關(guān)）調(diào)流調(diào)壓，調(diào)流精度高，一般為過流量的±0.5%；

（3）無危害性噪音和振動，用于清水時，可以*運(yùn)行，使用壽命長達(dá)30～50年；

（4）可以采用電力、液壓等多種方式驅(qū)動，既可以現(xiàn)場操作，也可以遠(yuǎn)方控制；

（5）消能、減壓范圍廣，能適應(yīng)上游水頭的不斷變化。

    上海申弘閥門有限公司主營閥門有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥現(xiàn)有多噴孔套筒式調(diào)流閥無量綱閥門流量系數(shù)S和開度y特性曲線是線性的，或者上凸的，的研究表明，對中高水頭、長距離、大流量管道輸水工程，現(xiàn)有調(diào)流閥特性的設(shè)計存在水擊過程控制困難的問題，其原因是在大開度時，流量隨開度y的減小改變不大，使得流量的改變集中在小開度，導(dǎo)致水擊壓力過大，或者關(guān)閉時間太長而無法實施。為此，2009年筆者針對一個實際工程研究了適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥，并被工程設(shè)計采用。
    現(xiàn)在的問題是，應(yīng)該依據(jù)什么設(shè)計適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥?設(shè)計原理、方法、性能如何評估?
    對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒式調(diào)流閥，簡稱為理想調(diào)流閥，特性是使流量隨開度y線性變化，這時關(guān)閉閥門時的水壓與關(guān)閉時間成正比，在相同的線性關(guān)閉時間，調(diào)流閥引起的水擊壓力升高小。
    本文將首先研究理想調(diào)流閥設(shè)計原理，然后通過計算研究理想調(diào)流閥水擊控制的效果。

    1 多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理理想調(diào)流閥設(shè)計原理
    調(diào)流閥進(jìn)出口水頭損失可描述為
    適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理
    式中，ΔH為調(diào)流閥的水頭損失；Q為通過調(diào)流閥的水流流速；A為截面積；ζ為閥門局部阻力系數(shù)；g為重力加速度。
    式（1）可以改寫為
    適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理
    式中，ΔHr為調(diào)流閥全開，即y=1.0時的調(diào)流閥的水頭損失，其中下標(biāo)r表示調(diào)流閥全開；q=Q/Qr
    適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理
    為無量綱閥門流量系數(shù)。
    圖1為輸水工程示意圖。
 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理
圖1 輸水工程示意（高程單位：m）
    參考圖1，管道上游水池與下游水庫的伯努利能量方程為
    適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理
    式中，z1為上游水池水面高程；z2為下游水庫水面高程；S為管道阻抗系數(shù)。上式右邊第三項表示線路水頭損失。 將式（2）代入得
    適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理
    式中，Δz=z1-z2。
    由于閥門全開時 τ =1和Q=Qr，從式（4）可得 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理 當(dāng)假設(shè)流量Q隨閥門開度y線性變化時，有適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理將式（5）和式（6）關(guān)系代入式（4）可得適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理  整理得
    適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理
    式（7）就是理想水擊控制調(diào)流閥τ與y的關(guān)系。換句話說，只要滿足式（7）條件，流量就隨閥門開度線性變化。圖2示出了理想調(diào)流閥無量綱閥門流量系數(shù)S與閥門開度y的關(guān)系曲線。顯然，理想調(diào)流閥特性曲線是下凹型。適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理圖2 理想調(diào)流閥特性曲線由 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理可得適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理
    式（8）就是理想水擊控制調(diào)流閥F與y的關(guān)系。當(dāng)給定 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理 、流量Qr和調(diào)流閥標(biāo)稱直徑，則可由式（1）得到ΔHr，然后利用式（8）獲得理想水擊控制調(diào)流閥 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理 隨y的變化規(guī)律，據(jù)此廠家可設(shè)計閥標(biāo)稱直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規(guī)律。
    需要說明，上面的分析是基于恒定流動，沒有考慮管道水擊的影響。下面以一個工程實例分析水擊的影響。

    2 多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理理想調(diào)流閥水擊控制效果
 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理圖3 引黃北干線倒虹線路管道高程山西省引黃北干線倒虹線路如圖3所示，依靠重力輸水。倒虹進(jìn)口樁號為43755.64，管道中心高程為1242.80m。設(shè)置在線式多噴孔套筒式調(diào)流閥1，按2臺工作1臺備用考慮，單閥過流量按4.2m3/s設(shè)計，樁號為56520m，管道中心高程為1115.4m。倒虹出口處樁號為118 009.67，管道中心高程為1117.5m，設(shè)置球型閥2，后接水庫，水庫設(shè)計水位為1118.8m。線路全長74.25km，采用內(nèi)徑2.2m的PCCP輸水。
    計算條件：倒虹吸管進(jìn)口水位1247.3m，出口水庫水位1118.8m；管道糙率n=0.012；調(diào)流閥采用線性關(guān)閉。
    初始條件：在線調(diào)流閥1和球型閥2全開，相對開度y=1.0，流量8.4m3/s。研究表明，采用原來廠家提供的多噴孔套筒式調(diào)流閥，即使調(diào)流閥線性關(guān)閉時間為1500s，閥前水壓也高達(dá)149m水頭，見圖4，多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理其中球型閥開度保持不變。
 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理圖4 原廠家調(diào)流閥關(guān)閉水擊過渡過程
    當(dāng)用理想控制調(diào)流閥代替原來的調(diào)流閥，將本工程參數(shù)Δz=128.5m、ΔHr=4.9m代入式（7）得
    適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理
    據(jù)此可繪出如圖5所示理想調(diào)流閥特性曲線。當(dāng)理想調(diào)流閥線性關(guān)閉時間分別為200s、400s，則采用水擊特征線方法計算（楊開林，2000）可得圖6、圖7所示水擊過渡過程曲線，y1和q1分別是調(diào)流閥的相對開度和流量。
 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理圖5 理想水擊控制調(diào)流閥特性曲線 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理圖6 理想調(diào)流閥關(guān)閉過渡過程
    從圖6和圖7可得下述結(jié)論：（1）受水擊壓力的作用，流量與閥門開度近似成線性關(guān)系；（2）閥前水壓隨關(guān)閉時間的增加顯著減??；（3）在同樣的閥前水壓條件下，采用理想調(diào)流閥可以顯著縮性關(guān)閉時間。比較圖4和圖6，雖然理想調(diào)流閥線性關(guān)閉時間由原來廠家調(diào)流閥的1500s減少到200s，但是兩者閥前水壓幾乎相同。

    3 多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計
    綜上所述，理想調(diào)流閥改善管道水擊控制效果非常顯著。同時需要指出的是，由于理想調(diào)流閥流量與開度是線性正比關(guān)系，所以它也可以提高正常輸水流量控制的精度。
 適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理
圖7 理想調(diào)流閥關(guān)閉過渡過程
    在理論上，制造廠可以通過設(shè)計閥標(biāo)稱直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規(guī)律生產(chǎn)出理想調(diào)流閥，但是，在高水頭、大流量條件下，可能會大大增加調(diào)流閥閥體尺寸和生產(chǎn)成本。在這種情況下，可以采用折衷的辦法，生產(chǎn)實用的適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥。其原則是：無量綱閥門流量系數(shù)S與閥門開度y特性曲線必須是下凹曲線或者折線，一般說來，設(shè)計的S與y曲線越接近理想調(diào)流閥越好。

    4 多噴孔套筒式調(diào)流閥設(shè)計原理結(jié)語
    對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒式調(diào)流閥特性是使流量隨開度y線性變化，這時關(guān)閉閥門時的水壓與關(guān)閉時間成正比，在相同的線性關(guān)閉時間，調(diào)流閥引起的水擊壓力升高小。本文解析推導(dǎo)得到設(shè)計理想調(diào)流閥無量綱閥門流量系數(shù)S與閥門開度y的計算公式，證明理想調(diào)流閥特性曲線是下凹形。理想調(diào)流閥不僅能夠顯著提高管道水擊控制效果，而且可以提高正常輸水流量控制的精度。

    制造廠可以通過設(shè)計閥標(biāo)稱直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規(guī)律生成理想調(diào)流閥，也可以采用折衷的辦法，生產(chǎn)實用的適應(yīng)水擊控制的多噴孔套筒式調(diào)流閥。其原則是：無量綱閥門流量系數(shù)S與閥門開度y特性曲線必須是下凹曲線或者折線，一般說來，設(shè)計的S與y曲線越接近理想調(diào)流閥越好。與本產(chǎn)品相關(guān)論文禁油脫脂氧氣減壓閥操作維護(hù)