多喷孔套筒调流阀的设计原理适用于水击控制

多喷孔套筒式调流阀诞生40年了（Miller，1969；Burg，目前，它已广泛应用于输水工程中。

多孔套筒式调流阀具有以下优点：（1）可在高压差环境下长期无气蚀运行；（2）调流调压全过程（从全开到全关），调流精度高，一般流量过大±0.5%；(3)无危害噪声和振动。用于清水时，可长期无故障运行，使用寿命长达30~50年；(4)可由电力、液压等方式驱动，可现场操作或远程控制；(5)能量消耗和减压范围广，能适应上游水头的不断变化。

现有多孔套筒式调流阀无量纲阀流量系数S和开度y最新研究表明，对于中高水头、长距离、大流量管道输水工程，现有调流阀特性的设计存在水击过程控制困难的问题，原因是在大开度时，流量随开度y减少变化不大，流量变化集中在小开度，导致水击压力过大，或关闭时间过长，无法实施。为此，2009年，笔者研究了适应水击控制的多喷孔套调流阀，并采用了工程设计。

现在的问题是，应该设计什么样的多孔套筒调流阀来适应水击控制？如何评估设计原理、方法和性能？

对于管道水击，理想的水击控制多喷孔套筒调流阀称为理想的调流阀，其特点是使流量随开度而变化y线性变化，此时阀门关闭时的水压与关闭时间成正比，在相同的线性关闭时间，调流阀引起的水压升高最小。

本文将首先研究理想调流阀的设计原理，然后计算理想调流阀的水击控制效果。

1 理想的调流阀设计原理

调流阀进出口水头损失可描述为

式中，ΔH失去调流阀的水头；Q通过调流阀的流量；A为截面积；ζ阀门局部阻力系数；g加速重力。

(1)可改写为

式中，ΔHr全开调流阀，即y=1.0时调流阀水头损失，下标r表示调流阀全开；q=Q/Qr

无量纲阀的流量系数。

图1为输水工程示意图。

图1 输水工程示意(高程单位:m）

参考图1，管道上游水池和下游水库的伯努利能量方程为

式中，z₁上游水池水面高程；z₂下游水库水面高程；S为管道阻抗系数。上式右侧第三项表示线路水头损失。

代入式(2)

式中，Δz=z₁-z₂。

当阀门完全打开时， τ =1和Q=Qr，从式（4）可得

当假设流量Q随阀门开度y有线性变化

代入式(4)可以得到将式(5)和式(6)关系

整理得

♂

(7)理想的水击控制调流阀τ与y关系。换句话说，只要满足(7)条件，流量就会随阀门开度线性变化。图2显示了理想调流阀无量纲阀的流量系数S与阀门开度y关系曲线。显然，理想的调流阀特性曲线是凹形的。

图2

由

可得

(8)理想水击控制调流阀F与y的关系。当给定、流量Qr调流阀的标称直径可通过(1)获得ΔHr，然后利用(8)获得理想的水击控制调流阀y根据变化规律，制造商可以设计阀体的标称直径、喷孔的大小以及沿周向和轴向的分布规律。

需要注意的是，上述分析是基于恒定流动，不考虑管道水击的影响。以下是一个工程实例来分析水击的影响。

2 理想的调流阀水击控制效果

图3

如图3所示，山西省引黄北干线倒虹线依靠重力输水。倒虹进口桩号为43755.64管道中心高度为1242.80m。设置在线多喷孔套筒式调流阀1，2台工作1台备用，单阀过流量4台.2m³/s设计桩号为56520m，管道中心的高程为115.4m。倒虹出口桩号为118 09.67管道中心高程为117.5m，水库设计水位1118.8m。线路全长74.25km，采用内径2.2m的PCCP输水。

计算条件：倒虹吸管进口水位1247.3m，出口水库水位1118.8m；管道糙率n=0.012；调流阀线性关闭。

初始条件：在线调流阀1和球阀2全开，相对开度y=1.0，流量8.4m³/s。研究表明，即使调流阀线性关闭时间为1500线性关闭时间为1.5万s，前阀的水压也高达149m水头，见图4，其中球型阀开度保持不变。

图4

当用理想的控制调流阀代替原来的调流阀时，工程参数Δz=128.5m、ΔHr=4.9m代入式(7)得

因此，可以绘制如图5所示的理想调流阀特性曲线。理想调流阀线性关闭时间分别为200s、400s，则采用水击特征线方法计算（杨开林，2000）可得图6、图7所示水击过渡过程曲线，y1和q一是调流阀的相对开度和流量。

♂

图5

图6 理想调流阀关闭过渡过程

从图6和图7可以得出以下结论：（1）在水击压力的作用下，流量与阀门开度几乎呈线性关系；（2）阀门前的水压随关闭时间的增加而显著降低；（3）在相同阀门前的水压条件下，使用理想的调流阀可以显著缩短线性关闭时间。比较图4和图6，尽管理想的调流阀线性关闭时间为原厂家调流阀的1500s减少到200s，但两个阀门前的水压几乎相同。

3 多喷孔套筒调流阀设计，适用于水击控制

综上所述，改善管道水击控制的理想调流阀效果非常显著。同时，需要指出的是，由于理想调流阀的流量与开度呈线性成正比，也可以提高正常输水流量控制的精度。

图7

从理论上讲，制造商可以通过设计阀体的标称直径、阀体上喷孔的大小以及沿周向和轴向的分布来生产理想的排气阀。然而，在高水头和大流量条件下，排气阀体的尺寸和生产成本可能会大大提高。在这种情况下，可以采用折衷的方法，生产适合水击控制的实用多孔套筒排气阀。其原理是：无大纲阀的流量系数S与阀门开度y特征曲线必须是下凹曲线或折线，一般来说，设计S与y曲线越接近理想的调流阀越好。

4 结语

对于管道水击，多喷孔套筒调流阀的理想水击控制特点是使流量随开度而变化y线性变化，此时阀门关闭时的水压与关闭时间成正比，在相同的线性关闭时间，调流阀引起的水压升高最小。

本文对调流阀无量纲阀流量系数进行了分析和推导S与阀门开度y计算公式证明，理想的调流阀特性曲线为凹形。理想的调流阀不仅能显著提高管道水击控制效果，还能提高正常输水流量控制的精度。

制造商可以通过设计阀体的标称直径、阀体上喷孔的大小以及沿周向和轴向的分布规律，生产出适合水击控制的实用多喷孔套筒式调流阀。其原理是：无大纲阀的流量系数S与阀门开度y特征曲线必须是下凹曲线或折线，一般来说，设计S与y曲线越接近理想的调流阀越好。