多噴孔套筒式調(diào)流閥誕生40年了（Miller，1969；Burg，目前，它已廣泛應(yīng)用于輸水工程中。

多孔套筒式調(diào)流閥具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可在高壓差環(huán)境下長期無氣蝕運(yùn)行；（2）調(diào)流調(diào)壓全過程（從全開到全關(guān)），調(diào)流精度高，一般流量過大±0.5%；(3)無危害噪聲和振動。用于清水時(shí)，可長期無故障運(yùn)行，使用壽命長達(dá)30~50年；(4)可由電力、液壓等方式驅(qū)動，可現(xiàn)場操作或遠(yuǎn)程控制；(5)能量消耗和減壓范圍廣，能適應(yīng)上游水頭的不斷變化。

現(xiàn)有多孔套筒式調(diào)流閥無量綱閥流量系數(shù)S和開度y最新研究表明，對于中高水頭、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(jì)存在水擊過程控制困難的問題，原因是在大開度時(shí)，流量隨開度y減少變化不大，流量變化集中在小開度，導(dǎo)致水擊壓力過大，或關(guān)閉時(shí)間過長，無法實(shí)施。為此，2009年，筆者研究了適應(yīng)水擊控制的多噴孔套調(diào)流閥，并采用了工程設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在的問題是，應(yīng)該設(shè)計(jì)什么樣的多孔套筒調(diào)流閥來適應(yīng)水擊控制？如何評估設(shè)計(jì)原理、方法和性能？

對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒調(diào)流閥稱為理想的調(diào)流閥，其特點(diǎn)是使流量隨開度而變化y線性變化，此時(shí)閥門關(guān)閉時(shí)的水壓與關(guān)閉時(shí)間成正比，在相同的線性關(guān)閉時(shí)間，調(diào)流閥引起的水壓升高最小。

本文將首先研究理想調(diào)流閥的設(shè)計(jì)原理，然后計(jì)算理想調(diào)流閥的水擊控制效果。

1 理想的調(diào)流閥設(shè)計(jì)原理

調(diào)流閥進(jìn)出口水頭損失可描述為

式中，ΔH失去調(diào)流閥的水頭；Q通過調(diào)流閥的流量；A為截面積；ζ閥門局部阻力系數(shù)；g加速重力。

(1)可改寫為

式中，ΔHr全開調(diào)流閥，即y=1.0時(shí)調(diào)流閥水頭損失，下標(biāo)r表示調(diào)流閥全開；q=Q/Qr

無量綱閥的流量系數(shù)。

圖1為輸水工程示意圖。

圖1 輸水工程示意(高程單位:m）

參考圖1，管道上游水池和下游水庫的伯努利能量方程為

式中，z₁上游水池水面高程；z₂下游水庫水面高程；S為管道阻抗系數(shù)。上式右側(cè)第三項(xiàng)表示線路水頭損失。

代入式(2)

式中，Δz=z₁-z₂。

當(dāng)閥門完全打開時(shí)， τ =1和Q=Qr，從式（4）可得

當(dāng)假設(shè)流量Q隨閥門開度y有線性變化

代入式(4)可以得到將式(5)和式(6)關(guān)系

整理得

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(7)理想的水擊控制調(diào)流閥τ與y關(guān)系。換句話說，只要滿足(7)條件，流量就會隨閥門開度線性變化。圖2顯示了理想調(diào)流閥無量綱閥的流量系數(shù)S與閥門開度y關(guān)系曲線。顯然，理想的調(diào)流閥特性曲線是凹形的。

圖2

由

可得

(8)理想水擊控制調(diào)流閥F與y的關(guān)系。當(dāng)給定、流量Qr調(diào)流閥的標(biāo)稱直徑可通過(1)獲得ΔHr，然后利用(8)獲得理想的水擊控制調(diào)流閥y根據(jù)變化規(guī)律，制造商可以設(shè)計(jì)閥體的標(biāo)稱直徑、噴孔的大小以及沿周向和軸向的分布規(guī)律。

需要注意的是，上述分析是基于恒定流動，不考慮管道水擊的影響。以下是一個(gè)工程實(shí)例來分析水擊的影響。

2 理想的調(diào)流閥水擊控制效果

圖3

如圖3所示，山西省引黃北干線倒虹線依靠重力輸水。倒虹進(jìn)口樁號為43755.64管道中心高度為1242.80m。設(shè)置在線多噴孔套筒式調(diào)流閥1，2臺工作1臺備用，單閥過流量4臺.2m³/s設(shè)計(jì)樁號為56520m，管道中心的高程為115.4m。倒虹出口樁號為118 09.67管道中心高程為117.5m，水庫設(shè)計(jì)水位1118.8m。線路全長74.25km，采用內(nèi)徑2.2m的PCCP輸水。

計(jì)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)流閥線性關(guān)閉。

初始條件：在線調(diào)流閥1和球閥2全開，相對開度y=1.0，流量8.4m³/s。研究表明，即使調(diào)流閥線性關(guān)閉時(shí)間為1500線性關(guān)閉時(shí)間為1.5萬s，前閥的水壓也高達(dá)149m水頭，見圖4，其中球型閥開度保持不變。

圖4

當(dāng)用理想的控制調(diào)流閥代替原來的調(diào)流閥時(shí)，工程參數(shù)Δz=128.5m、ΔHr=4.9m代入式(7)得

因此，可以繪制如圖5所示的理想調(diào)流閥特性曲線。理想調(diào)流閥線性關(guān)閉時(shí)間分別為200s、400s，則采用水擊特征線方法計(jì)算（楊開林，2000）可得圖6、圖7所示水擊過渡過程曲線，y1和q一是調(diào)流閥的相對開度和流量。

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圖5

圖6 理想調(diào)流閥關(guān)閉過渡過程

從圖6和圖7可以得出以下結(jié)論：（1）在水擊壓力的作用下，流量與閥門開度幾乎呈線性關(guān)系；（2）閥門前的水壓隨關(guān)閉時(shí)間的增加而顯著降低；（3）在相同閥門前的水壓條件下，使用理想的調(diào)流閥可以顯著縮短線性關(guān)閉時(shí)間。比較圖4和圖6，盡管理想的調(diào)流閥線性關(guān)閉時(shí)間為原廠家調(diào)流閥的1500s減少到200s，但兩個(gè)閥門前的水壓幾乎相同。

3 多噴孔套筒調(diào)流閥設(shè)計(jì)，適用于水擊控制

綜上所述，改善管道水擊控制的理想調(diào)流閥效果非常顯著。同時(shí)，需要指出的是，由于理想調(diào)流閥的流量與開度呈線性成正比，也可以提高正常輸水流量控制的精度。

圖7

從理論上講，制造商可以通過設(shè)計(jì)閥體的標(biāo)稱直徑、閥體上噴孔的大小以及沿周向和軸向的分布來生產(chǎn)理想的排氣閥。然而，在高水頭和大流量條件下，排氣閥體的尺寸和生產(chǎn)成本可能會大大提高。在這種情況下，可以采用折衷的方法，生產(chǎn)適合水擊控制的實(shí)用多孔套筒排氣閥。其原理是：無大綱閥的流量系數(shù)S與閥門開度y特征曲線必須是下凹曲線或折線，一般來說，設(shè)計(jì)S與y曲線越接近理想的調(diào)流閥越好。

4 結(jié)語

對于管道水擊，多噴孔套筒調(diào)流閥的理想水擊控制特點(diǎn)是使流量隨開度而變化y線性變化，此時(shí)閥門關(guān)閉時(shí)的水壓與關(guān)閉時(shí)間成正比，在相同的線性關(guān)閉時(shí)間，調(diào)流閥引起的水壓升高最小。

本文對調(diào)流閥無量綱閥流量系數(shù)進(jìn)行了分析和推導(dǎo)S與閥門開度y計(jì)算公式證明，理想的調(diào)流閥特性曲線為凹形。理想的調(diào)流閥不僅能顯著提高管道水擊控制效果，還能提高正常輸水流量控制的精度。

制造商可以通過設(shè)計(jì)閥體的標(biāo)稱直徑、閥體上噴孔的大小以及沿周向和軸向的分布規(guī)律，生產(chǎn)出適合水擊控制的實(shí)用多噴孔套筒式調(diào)流閥。其原理是：無大綱閥的流量系數(shù)S與閥門開度y特征曲線必須是下凹曲線或折線，一般來說，設(shè)計(jì)S與y曲線越接近理想的調(diào)流閥越好。