多噴孔套筒式調流閥設計原理

之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應用，現在介紹多噴孔套筒式調流閥設計原理對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒式調流閥特性是使流量隨開度y線性變化，這時關閉調流閥引起的水擊壓力升高小。本文推導得到理想調流閥無量綱閥門流量系數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。

    多噴孔套筒式調流閥的誕生已經有40年的歷史目前在輸水工程中獲得廣泛應用。多噴孔錐形控制閥是型的控制閥。它可調節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構，水經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，必須使各點壓力或速度水頭保持在每一噴孔前達到一致。KARON 410角型即是由進口端的主軸偏向一邊，使進口端之空間逐漸縮小，達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引裝置沿著錐形管作水平運動，以保持各點壓力一致。
KARON是將速度水頭損失在噴孔前消除，使得震動得以減少，并利用的設計將沖蝕現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。

 
多噴孔套筒式調流閥設計原理優點：
--- 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。
--- 內部*水流之零件設計。
--- 無沖蝕指數限制。
--- 在所有操作狀態下，*無振動。
--- 標準化及之設計。
--- 適合遙控或SCADA監控系統。
多噴孔套筒式調流閥設計原理多噴孔套筒式調流閥有如下優點：

（1）可以在高壓差環境下，無氣蝕運行；

（2）可以全程（由全開到全關）調流調壓，調流精度高，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*運行，使用壽命長達30～50年；

（4）可以采用電力、液壓等多種方式驅動，既可以現場操作，也可以遠方控制；

（5）消能、減壓范圍廣，能適應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,可調式減壓閥,水減壓閥現有多噴孔套筒式調流閥無量綱閥門流量系數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，現有調流閥特性的設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，導致水擊壓力過大，或者關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水擊控制的多噴孔套筒式調流閥，并被工程設計采用。
    現在的問題是，應該依據什么設計適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥?設計原理、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流閥，簡稱為理想調流閥，特性是使流量隨開度y線性變化，這時關閉閥門時的水壓與關閉時間成正比，在相同的線性關閉時間，調流閥引起的水擊壓力升高小。
    本文將首先研究理想調流閥設計原理，然后通過計算研究理想調流閥水擊控制的效果。

    1 多噴孔套筒式調流閥設計原理理想調流閥設計原理
    調流閥進出口水頭損失可描述為
    適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理
    式中，ΔH為調流閥的水頭損失；Q為通過調流閥的水流流速；A為截面積；ζ為閥門局部阻力系數；g為重力加速度。
    式（1）可以改寫為
    適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理
    式中，ΔHr為調流閥全開，即y=1.0時的調流閥的水頭損失，其中下標r表示調流閥全開；q=Q/Qr
    適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理
    為無量綱閥門流量系數。
    圖1為輸水工程示意圖。
 適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理
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
    適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理
    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。上式右邊第三項表示線路水頭損失。 將式（2）代入得
    適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理
    式中，Δz=z1-z2。
    由于閥門全開時 τ =1和Q=Qr，從式（4）可得 適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理 當假設流量Q隨閥門開度y線性變化時，有適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理將式（5）和式（6）關系代入式（4）可得適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理  整理得
    適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理
    式（7）就是理想水擊控制調流閥τ與y的關系。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示出了理想調流閥無量綱閥門流量系數S與閥門開度y的關系曲線。顯然，理想調流閥特性曲線是下凹型。適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理圖2 理想調流閥特性曲線由 適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理可得適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理
    式（8）就是理想水擊控制調流閥F與y的關系。當給定 適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理 、流量Qr和調流閥標稱直徑，則可由式（1）得到ΔHr，然后利用式（8）獲得理想水擊控制調流閥 適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理 隨y的變化規律，據此廠家可設計閥標稱直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規律。
    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 多噴孔套筒式調流閥設計原理理想調流閥水擊控制效果
 適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理圖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。倒虹進口樁號為43755.64，管道中心高程為1242.80m。設置在線式多噴孔套筒式調流閥1，按2臺工作1臺備用考慮，單閥過流量按4.2m3/s設計，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，設置球型閥2，后接水庫，水庫設計水位為1118.8m。線路全長74.25km，采用內徑2.2m的PCCP輸水。
    計算條件：倒虹吸管進口水位1247.3m，出口水庫水位1118.8m；管道糙率n=0.012；調流閥采用線性關閉。
    初始條件：在線調流閥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流閥，即使調流閥線性關閉時間為1500s，閥前水壓也高達149m水頭，見圖4，多噴孔套筒式調流閥設計原理其中球型閥開度保持不變。
 適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理圖4 原廠家調流閥關閉水擊過渡過程
    當用理想控制調流閥代替原來的調流閥，將本工程參數Δz=128.5m、ΔHr=4.9m代入式（7）得
    適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理
    據此可繪出如圖5所示理想調流閥特性曲線。當理想調流閥線性關閉時間分別為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分別是調流閥的相對開度和流量。
 適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理圖5 理想水擊控制調流閥特性曲線 適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計原理圖6 理想調流閥關閉過渡過程
    從圖6和圖7可得下述結論：（1）受水擊壓力的作用，流量與閥門開度近似成線性關系；（2）閥前水壓隨關閉時間的增加顯著減小；（3）在同樣的閥前水壓條件下，采用理想調流閥可以顯著縮性關閉時間。比較圖4和圖6，雖然理想調流閥線性關閉時間由原來廠家調流閥的1500s減少到200s，但是兩者閥前水壓幾乎相同。

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

    4 多噴孔套筒式調流閥設計原理結語
    對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒式調流閥特性是使流量隨開度y線性變化，這時關閉閥門時的水壓與關閉時間成正比，在相同的線性關閉時間，調流閥引起的水擊壓力升高小。本文解析推導得到設計理想調流閥無量綱閥門流量系數S與閥門開度y的計算公式，證明理想調流閥特性曲線是下凹形。理想調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。

    制造廠可以通過設計閥標稱直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規律生成理想調流閥，也可以采用折衷的辦法，生產實用的適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥。其原則是：無量綱閥門流量系數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，設計的S與y曲線越接近理想調流閥越好。與本產品相關論文禁油脫脂氧氣減壓閥操作維護