水轮机调速器静特性试验「船舶动力装置原理与设计」

今天带来水轮机调速器静特性试验「船舶动力装置原理与设计」，关于水轮机调速器静特性试验「船舶动力装置原理与设计」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

摘要：

为满足水力式升船机向巨型化发展的需求,进一步开展其控制阀门的选型研究十分必要。本文针对较为适应水力式升船机运行特性的两类工业阀门——活塞式调流阀与固定式锥形阀,研制了一种工业阀门水力特性试验装置,进行了系统全面的水力特性对比试验研究。研究成果表明,锥形阀的泄流能力明显优于活塞阀,流量系数随开度变化的线性度更高。两类阀门均以雾状空化为主,活塞阀对冲出流容易形成漩涡空化,对管壁的空蚀作用更强;锥形阀出流较均匀,流场结构更简单稳定。等流量系数下,两类阀门的抗空化性能差异不大,说明锥形阀近似于通过降低抗空化性能换取了更高的泄流能力。相同试验条件下,锥形阀阀后管壁沿程时均压力更高,压力脉动更弱。可见,锥形阀的综合水力特性优于活塞阀,更为适应未来水力式升船机的发展需求。

关键词：

水力式升船机;控制阀门;物模试验;流量系数;空化数;管壁压力;

基金:

云南省院士基金自由探索项目( HNKJ17-H19) ;

国家重点研发计划项目( 2016YFC0402001)

作者简介:

王 蛟( 1989—) ，男，工程师，博士，主要从事通航水力学研究。E-mail: jwang@ cqjtu. edu. cn

引用：

王蛟，胡亚安，严秀俊，等． 水力式升船机控制阀门选型水力特性试验研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 12) : 125-132.

WANG Jiao，HU Yaan，YAN Xiujun，et al． Experimental study on hydraulics of control valve selection for hydro-driven ship lift［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 12) : 125-132.

水力式升船机是我国第一座拥有自主知识产权的新型升船机，景洪升船机是世界上第一座实践成功的水力式升船机。为满足船厢精确对接对流量的精准控制要求，景洪水力式升船机采用活塞式调流阀作为控制阀门。活塞式调流阀常用于水电站放空系统中，其性能参数与运行特点与套件型式密切相关。李 燕 辉等针对大口径活塞式调流阀 (DN2400) 进行了三维数值模拟研究，分析得到了流量系数与流动状态的对应关系和瞬态启闭阀门时的侧向力特性。在景洪升船机的后续通航及维护程中，南京水利科学研究院等单位针对控制阀门进行了全面丰富的原型观测试验研究，积累了宝贵的实测资料。原型试验成果表明，活塞式调流阀对流量控制准确，可以满足景洪工程运行要求，但该类阀门也存在一些固有缺陷，不利于水力式升船机的推广应用。例如，在小开度时阀门流阻过大，泄流能力偏低，影响升船机的运行效率; 阀门可将空化限制在阀体外，保证阀门自身安全稳定， 但空化游移至阀后，会导致管道振动。同时，活塞阀造价较高，其基本结构型式也不适合制作超大口径阀门。阀门防空化技术措施已较为成熟，阀前强迫掺气及阀后管道突扩都能有效地抑制阀门空化， 可靠的防空化技术允许适当降低阀门的抗空化性能，因此选用更为经济合理的阀门替代活塞阀，针对未来水力式升船机控制阀门进行深入的选型研究，具有重要的学术价值和实践意义。 水力式升船机通过调节竖井水位来驱动承船厢运动，而竖井水位的变化则由控制阀门所决定。可见， 控制阀门类似于电力驱动式升船机的电机，是升船机安全、高效运行的关键。水力式升船机对控制阀门性能要求非常高，不仅要能适应大压降、运行稳定; 还要能设计为大口径，满足大流量供给需求; 并能对流量进行精确控制，以便船厢精确对接; 同时，还需满足对空化等有害水力现象的控制，确保阀门及阀后管道的安全。可见，阀门的水力学问题是其核心问题。 阀门的流量特性决定了水力式升船机的运行效率; 阀门的空化问题直接关系到水力式升船机的运行安全。 基于以上要求，并考虑到阀门质量可控性、便于并行化、现场安装及更换的简易性等，一般选用工业阀门作为水力式升船机的控制阀门。水力式升船机阀门选型可行性研究成果表明，通过综合对比典型工业阀门的流阻特性、空化特性、适用范围及经济性等指标，发现固定式锥形阀也较为适应水力式升船机的运行要求。固定式锥形阀适合制作超大口径且经济性更好。研究表明，锥形阀的阀芯锥面与柱面相接处的负压较大，容易导致空化初生。在锥形阀后设置消能罩和环形孔板可以显著提升锥阀的消能效果， 调整射流流态，说明该类阀门可以应用于高水头、高 流速的通航建筑物。潘广香等通过优化锥阀阀口及阀芯型式，提升了锥阀的抗空化性能。秦武等通过增加环形孔套改善了锥形阀内部的流场结构，减小了流动死区及涡流对过流能力的影响。WANG 等通过对锥形阀半锥角和阀门运行开度的优化研 究，减弱了阀门的空化强度及噪声。可见，虽然锥形阀抗空化性能略差，但通过优化阀门结构，配合可靠的防空化技术措施可以弥补这一缺陷。 活塞阀与锥形阀的出流方式不同，一 种内聚 ( 活塞式调流阀) ，一种外散( 带导流罩的锥形阀) ， 在水力式升船机大压降、高流速工况下的性能有何差异，需要通过试验研究分析确定。基于此，本文针对两类阀门进行了全面深入的水力特性试验研究，以期为水力式升船机输水阀门的选型提供技术支撑。水力式升船机控制阀门的泄流能力决定了升 船机的运行效率，阀后管壁的压力特性直接影响管 道安全，阀门的抗空化性能关乎升船机的运行安全与稳定性。因此，本研究针对两类阀门，进行了不同开度、不同背压( 下游稳定压力) 、不同压差的试 验研究，重点对比分析阀门的流量特性、阀后管壁压力特性及空化特性。

本文研究中，采用的试验阀门分别为德国 VAG 公司生产的活塞阀( DN150，套筒型式为 SZ20－30%) 和武汉阀门有限公司生产的锥形阀( DN150，带导流罩) ，阀门内部结构及阀口照片如图 1 所示。

试验在南京水利科学研究院多功能空化空蚀试验厅中进行。根据试验要求，研制了一种工业阀门水力特性试验装置，实现了供水供压系统、流量及压力微调的电动集成控制，可明显提高试验效率; 试验段前后设置了稳压段及泄压防爆阀，可保证试验条件的稳定性和安全性; 增设了透明玻璃管段，便于观察空化现象; 定制了掺气设备，可进行掺气试验研究。试验模型主 要由阀前整流段、试验阀门段、玻璃管道和阀后稳压 段组成，模型设计如图 2 所示，传感器具体布置如图 3 所示。

2. 1 阀门流量特性

在通航建筑物输水系统中，阀门流量系数的一 般表达式为

(式中，μ 为流量系数; A 为 阀门过流面积; Q 为阀门过流流量; ρ为流体密度; P1、P2 分别为阀前、阀后参考断面稳定压力。 由式可知，流量系数即是阀门实际过流量与理想过流量的比值。由于存在局部阻力损失，实际过流量总是小于理想过流量。

2. 1. 1 流量系数随开度的变化

两类阀门的流量系数随开度的变化如图 4 所示。 可见，各开度下锥形阀流量系数均高于活塞阀。活塞阀全开流量系数为 0. 445，锥形阀全开流量系数为 0. 678。活塞阀流量系数－开度曲线呈 “S”型，锥形 阀流量系数－开度曲线的线性度相对更好。阀门具体开度下的流量系数与套筒行程密切相关，活塞阀通过曲柄活塞杆驱动套筒来实现阀门启闭，活塞杆 “S”型的运行行程决定了活塞阀流量系数－开度曲线的基本型式; 锥形阀则通过直杆驱动套筒，因此其流量系数－开度曲线的线性度更优。

体开度下的流量系数与套筒行程密切相关，活塞阀通过曲柄活塞杆驱动套筒来实现阀门启闭，活塞杆 “S”型的运行行程决定了活塞阀流量系数－开度曲线的基本型式; 锥形阀则通过直杆驱动套筒，因此其流量系数－开度曲线的线性度更优。

2. 1. 2 流量系数随背压、压差的变化

流量系数随背压、压差的变化可以通过流量系数随相对空化数的变化来说明，相对空化数越小，代表压差越大、空化越强。空化现象对阀门最直接的影响之一就是降低阀门的泄流能力，典型开度阀门流量系数与相对空化数的关系如图 5 所示。

σ/σi = 1，即是临界空化状态。由图可知，当 σ/σi ＞1 时，流量系数基本维持稳定; 在临界空化状态附近，流量系数存在 一个小幅突增过程，对于该现象的一种解释是， 在发生可监测到的空化现象前，于空化初生部位表面会形成细微气泡，这些气泡会在结构物表面与过流水 体间形成一层水气膜，将水流与结构物表面分离开来，近似于降低了结构物表面的糙率，从而小幅提高了过流能力。当 σ/σi＜1 时，流量系数随相对空化数的减小而逐渐下降。σ/σi≈0. 5 时，活塞阀流量系数降低约 10%，锥形阀降低约 5%。不同背压下，流量系数随相对空化数变化的差异不大( ＜ 2%) ，说明试验条件下，阀门过流水体已充分紊动，试验结果可以表征阀门的泄流能力。

2. 2 阀后管壁压力特性

为了定量比较两类阀门阀后管壁压力特性的具体差异，试验过程中，于部分开度进行了相同工况对比 试验( 上下游稳定压力相同) ，试验结果如图 6 所示。

压力特征值利用下游稳定压力( P2 ) 及断面平均速度 (ν) 进行无量纲化。由图可知，相同工况下，锥形阀阀后管壁的时均压力更高，压力脉动更弱。对比时均 压力分布情况可知: 不同开度下，活塞阀阀后沿程时均压力的分布情况在不断改变，说明活塞阀阀后流场结构不稳定; 锥形阀阀后沿程时均压力分布则较为稳定，不同开度下的区别很小。阀后水流流场结构对时 均压力的分布规律起决定性作用。活塞阀环状对冲出流，容易引起水流往复摆动，甚至形成漩涡流，套筒对阀门出流影响明显，因此活塞阀后管壁时均压力分 布情况随开度不断变化。锥形阀由于导流罩的整流作用，阀后流场结构简单，时均压力沿程分布差别不大。对比压力脉动情况可知: 两类阀门压力脉动系数沿程的分布规律类似，在阀口附近最大，而后迅速下 降，在阀后2 倍阀门通径附近降至稳定值; 锥形阀阀后沿程压力脉动系数值整体更低。空化程度越强，两类阀门阀口附近的压力脉动增幅越明显，且活塞阀增幅更大。这是因为空化泡加剧了水流紊动，导致脉动增强，而活塞阀阀后水流流态较差，因此紊动更剧烈。

2. 3 阀门空化特性

2. 3. 1 流场结构及空化现象

图 7为两类阀门在典型开度( 0. 3 开度)下的流场结构及空化现象，可见两类阀门的空化类型均以雾状空化为主。除雾状空泡外，活塞阀在 0. 3 开度出现了扭绳型细长空泡，是活塞阀流场结构的典型体现。该开度下，活塞阀套筒逐步脱离阀口，阀门在通过套筒侧孔出流的同时，开始从套筒与主廊道形成的间隙出流。活塞阀内聚对冲的出流方式，使得雾状空泡在该 开度得以汇聚束，于管道中心形成一股细长空泡，贯穿全管，细长空泡随水流摆动呈现螺旋形态。该现象体现了活塞阀阀后流场结构的不稳定性，对冲式出流容易引起水流往复摆动，对管壁的冲击更强。扭绳型空泡相对于雾状空泡而言，溃灭时冲击能力更高、对管壁的侵蚀作用更强。相对而言，锥形阀阀后的流场结构则较为简单，由于导流罩的整流作用，锥形阀出流近似等截面出流，雾状空化分布均匀，空泡细碎微小。

2. 3. 2 临界空化数

本文空化数的定义为

式中，σ 为空化数; Patm、Psv 分别为当地大气压及水的饱和蒸汽压; v 为参考断面平均流速。 空化数物理意义是阀后作用水头与阀门段总水头的比值。以 σi 表征水流处于临界空化状态，σ＞σi 时，表明阀门段无空化; σ≤σi 时，阀门段存在空 化。σi 越小，说明阀门空化初生时阀后作用水头越小，即阀门无空化的工作水头差越大，阀门的防空化性能越好。阀门临界空化的判别，主要通过综合耳听阀内噪声和阀门噪声特性来判断。阀门处于临界空化时，耳听阀内一般会有轻微的 “滋滋声”，空化噪声 会出现间断式压力脉冲。

由图 8 可知，各开度下锥形阀的临界空化数均大于活塞阀，临界空化数越小，表示抗空化性能越强， 可见锥形阀整体抗空化性能低于活塞阀。锥形阀临界空化数随开度增加逐渐增大，但增幅逐步减小，n = 0. 1 时，σi = 1. 0; n = 1. 0 时，σi = 3. 9，与流量系数的整体变化规律类似。活塞阀 n = 0. 1 时，σi = 0. 6; n = 1. 0 时，σi = 2. 6。可见，从相同开度角度对比分析，活塞阀的抗空化性能明显优于锥形阀。 为更直观地对比两类阀门的抗空化性能，现以 60 kPa 为背压，用临界空化数计算阀门各开度空化初生时的上游压力，如表 1 所列。

由表 1 可知，两类阀门随开度的增加，空化初生所需压力均逐步降低，其差值基本随开度的 增大而减小，最大差值为 0. 3 开 度的 144 kPa，最小差值为 1. 0 开 度的 23 kPa。说明从相同开度的角度对比分析，活塞阀的抗空化 性能明显优于锥形阀。但由于两类阀门在各开度的流量系数有较大区别，下面再从相 同流量系数的角度对比分析两类阀门的抗空化性能。 通过多项式插值反算，可得到两类阀门流量系数相同 时的临界空化数，如图 9 所示。

由图 9 可知，相同流量系数下，锥形阀临界空化 数依然均大于活塞阀，但整体差异明显低于相同开度 时的差别。活塞阀 0. 1 开度时，流量系数为 0. 02， 临界空化数为 0. 6，相同流量系数下锥阀临界空化数为 0. 66; 活塞阀 1. 0 开度时，流量系数为 0. 445，临界空化数为 2. 6，相同流量系数下锥阀临界空化数为 3. 29。同样以 60 kPa 背压计算各流量系数下的临界 空化数( 见表 2) 。

由表 2 可知，从相同流量系数的角度对比，两类阀门临界空化压差的最大差值为 0. 3 开度的 37 kPa， 最小差值为 1. 0 开度的 10 kPa，明显低于相同开度下的差别。说明从相同流量系数的角度对比分析，活塞阀的抗空化性能仅略好于锥形阀。锥形阀在实际开度 下的抗空化能力相对较差，可以理解为牺牲一定的抗 空化能力来 “换取”更高的过流能力。

2. 3. 3 空化噪声特性

空化噪声是判断空化初生及空化强弱程度的重要手段，主要特征参数包含噪声声压( SP) 和噪声声压级( SPL) 等，其转换关系见下式。空化噪声一般由多种不同频率、强度的声音组合而成。以声压级为纵坐标，频率为横坐标绘制的噪声特性曲线称为噪声功率 谱，可以直观地反映出噪声的频率分布和声级大小的关系。研究噪声功率谱可以深入了解噪声声源特性， 帮助寻找噪声源，直观地判断空化强弱以及防空化技术效果等。本文主要通过噪声功率谱来分析空化噪声 特性，计算公式为

如图 10 所示，两类阀门噪声特性的主要区别体 现在临界空化状态。典型开度下，活塞阀临界空化噪声声压级在优势频率区的数值基本相同，说明活塞阀的空化源较为固定。随开度增大，活塞阀空化噪声声压级在高频区逐步降低。说明开度较小时，水体流经阀门时的阻力较大，局部流速较高，更易产生高频噪声; 开度增大后，水体流经阀门时的阻力明显减小， 局部流速降低，噪声趋于低频。与活塞阀不同，随开度增加，锥形阀临界空化噪声声压级在优势频率区的数值在不断变化，说明锥形阀的空化源不止一处。导流罩中的出流挡板以及消能孔板也可能是空化源。

为全面深入地掌握适合水力式升船机运行要求的两类工业阀门的水力特性，本文基于研制的工业阀门水力特性试验装置，系统全面地对比研究了活塞阀与锥形阀的水力特性，得到主要结论如下: (1) 锥形阀的泄流能力明显优于活塞阀，活塞阀全开流量系数 为 0. 445，锥形阀全开流量系数为 0. 678。阀门流量系数随开度的变化与阀门运行方式及流场结构有关，锥形阀的流场结构更简单，其流量系数随开度变化的线性度更好。流量系数随压差的变化规律表明，阀门未空化时，流量系数基本保持不变; 阀门空化后，流量系数会先小幅突增，再随空化 程度的增强而明显下降。

(2) 两类阀门均以雾状空化为主，活塞阀对冲出 流容易形成漩涡流，雾状空泡在漩涡流的作用下将汇聚成扭绳型空泡，对管壁的空蚀作用更强; 锥形阀出流较均匀，流场结构更简单，雾状空泡对管壁的空蚀作用相对较弱。两类阀门在相同流量系数下的临界空化数相差不大，说明锥形阀近似于牺牲一定的抗空化 性能换取了更高的泄流能力，而牺牲的抗空化性能可 以通过阀门防空化技术来弥补。

(3) 相同试验条件下，相对于活塞阀，锥形阀阀后管壁沿程的时均压力更高，压力脉动更弱; 阀门的出流方式对阀后管壁沿程压力分布规律的影响较大， 锥形阀出流更为均匀，阀后管壁沿程压力分布更为稳定。 综上可知，与活塞式调流阀对比，固定式锥形阀具有流量系数大、阀后流态简单稳定、管壁压力脉动更弱等优点，但其抗空化能力略差。因此，为了保障水力式升船机控制阀门及管道的运行安全与效率，进 一步深化研究工业阀门的防空化技术十分必要。

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