【摘要】锥形消能阀能够通过结构设计最大限度的消除汽蚀，减小气蚀所带来的振动噪音对阀门的影响。既能满足调节出口流量，又能对出口水流进行消能降压，且能够长时间安全稳定运行。运用于水电站能够很好的确保高水头生态流量的正常泄放。

【关键词】生态流量；振动；汽蚀；锥形消能阀

0引言

某水电站生态流量泄放阀门从2018年投运以来，长期有比较明显的振动及噪音，阀后部分压力钢管管道焊缝受振动及汽蚀影响严重，多次出现破裂漏水情况，电站对生态流量泄放压力钢管管道进行了多次修补及加固均无明显改善，由于振动强烈同时导致泄放阀门受损严重已无法继续正常运行，严重影响生态流量的正常泄放，且由于该电站生态流量泄放水头较高，一旦压力钢管管道出现严重破裂将造成极大安全事故。

1 原因分析

该电站生态流量泄放阀门采用的是锥形阀，阀门额定水头为60m，额定流量为8.42m3/s，阀门公称压力1.6MPa，阀门公称直径1000mm，在阀门上设计有导流罩并在导流罩出口处通过一段DN1660的导流管直接对大气放空排放到下游河流。由于该阀工况特殊，阀门运行时上、下游压差大，运行水头高，造成过阀流速高，使阀门开启时固定锥体处喷出的高速水流会对导流罩直接水流喷射，同时拉空后面的空间形成真空负压，从而在管道内产生非常严重的汽蚀和剧烈的振动，特别是导流罩内壁处（漏水处）的气泡破裂释放出能量，在导流罩内壁形成蜂窝状的深坑，使材料表面受到损坏，机械性能降低，并产生噪音，引起阀门及管道的震动，长期以往会越来越严重，导致阀门及管道的损坏漏水。该锥形阀上也设有两处自动补气的进排气阀，从阀门损坏的情况初步判断，阀门内的负压、汽蚀未消除。有可能是自动补气的进排气阀的设置位置不当；需要补气的进气量不够或进排气阀损坏，无法正常进排气。根据现场管路安装情况锥形阀前设置有（DN1000）非传力波纹管伸缩接头，导流罩承受了作用在管道上的部分水平推力，加剧了压力钢管焊缝处的裂开。同时该锥形阀并未在阀门出口设置消能装置，导致能量无法消除，产生严重的汽蚀及振动。

2 处理措施

阀门选型：目前国内用于水系统中的大口径调流阀主要有二种结构形式，一种是活塞式调流阀，另一种是锥形消能阀。活塞式调流阀主要用于供水系统调节下游供水管路中介质的压力和流量，为管中供水形式。在出水处一般不采用直接对大气放空排放，而是在活塞式调流阀出口处通过管道直接供给用水单位或者将出水管道掩埋在河流（水库）或水池中，且该阀在进水前端需专门安装过滤器，防止活塞式调流阀阻塞。锥形消能阀是采用水流和空气大面积的摩擦生产雾化来进行消能，消能效果十分突出，同时对环境损害很小，由于其布置紧凑，操作灵活，无需在锥形消能阀进水前端专门安装过滤器、运行管理方便、可靠。因此非常适用于大型水利水电工程的生态流量排放和水利水电工程的泄流消能。如印度尼西亚ASAHAN水电站采用锥形消能阀进行泄流，伊朗Kowsar、Zenouz-Dam、Raees Ali Delvori Dam三个工程用锥形消能阀进行大坝底孔泄流，德国的German water和Lingen工程用锥形消能阀进行生态流量排放，英国的Scott Water Reservoir工程用锥形消能阀进行泄流；我国也有部分工程应用此设备，如宜兴抽水蓄能电站用锥形消能阀进行下水库的放空、泄洪、导流，甘肃的崆峒水库将输水洞平板闸门改建为锥形消能阀进行输水等。综上所述，本次处理措施主要需要选用合适的锥形消能阀对原有锥形阀进行更换以彻底解决汽蚀及振动问题。

阀门设计：该锥形消能阀主要通过结构设计最大限度的消除汽蚀，减小气蚀所带来的振动噪音对阀门的影响。满足既能调节出口流量，又能对出口水流进行消能降压，且能够长时间安全稳定运行。针对该阀工况特殊，需将该锥形阀设计成出口有多级消能功能的锥形阀。该多级消能锥形阀为布置在管道末端的具有消能功能的放空阀，驱动方式采用电、手动驱动。该多级消能锥形阀公称直径DN1000、设计压力高，在设计时应充分保证各部件足够的强度和刚度。该多级消能锥形阀的工作密封采用金属硬密封和橡胶软密封两道密封，金属硬密封的作用是截断过阀主要水流，橡胶软密封的作用是确保密封面达到零泄漏。该多级消能锥形阀应具有优良的流量调节特性，还应具有可靠的消能功能。该阀导流锥体出口附近会出现负压区域，在此部位延环状均布多个高速进排气阀进行自动补气，设计时，在阀门设计时需对阀门进行三维建模设计，并通过CFD计算确定在导流罩气蚀发生的部位延环状处布置适当（多个）补气量的进排气阀进行自动补气，消除负压避免产生汽蚀，振动等不利现象。多级消能锥形阀的基本原理为通过活塞移动改变阀门流通截面积来控制流量的大小。经过调节后喷射而出的水通过一个突然扩大的导流体收拢，并在导流体内采取消能措施消能。锥形阀工作时，控制器发出开阀指令，电动执行器启动，通过传动机构，带动套筒闸前后移动，达到启闭或调节的目的。锥形阀开启后，上游的高压水流进入阀体内，流过导流片和导流锥体，形成环形喷射流，进入导流体。在阀门的导流体上设有三级消能的网孔消能体，将不同开度喷射而出的水流进行分层引导、反射碰撞、网孔打散及对冲的多方位复合式消能。阀门出口端采用导流体来收拢由导流锥体处喷射出的高速环状水流，导流体外部整体埋入混凝土建筑内，也起到固定阀门防止减小振动的作用。导流体将阀门直径由DN1000直接扩大到DN1800，导流体兼作消能池的作用，过流截面积约增大到1.8倍，如果由导流锥体喷出的介质能布满整个DN1800管道，在阀门额定流量8.42m3/s的情况下出口流速控制在6m/以下，此流速下的流体对下游建筑物的冲击已经很小，基本达到消能的效果。本工程额定水头为60m，由阀门喷射出的水流在不考虑水头损失情况下流速可达到34.3m/s，如此高流速的水流在喷射至导流体后，不会形成满管水，而只会在很大的速度沿导流体内壁成环状喷射出，对导流罩内壁冲击造成内壁破坏。因此，想要实现消能的效果，必须让泄放的水流尽量打散，布满导流体内部空间，降低整个管道的流速，也减少了部分汽蚀发生。本阀门在导流体内设计了一套多级的网孔消能体，对高速喷射出的水流进行复合式消能。第一、二层网孔消能，减小对导流罩内壁冲击，第三层网孔消能随着流道被不断反射、碰撞、分散消能，一部分流体沿导流体经锥形消能网孔环状喷射出的流体分散消能，减小阀门的冲击振动。这样针对阀门不同开度喷射而出的水流进行分层次的引导，并结合在流道内的不断反射碰撞、网孔打散并对冲，最终形成导流体内圈速度较快逐渐往外圈扩散变慢的趋势，由于外环截面积为远大于内环面积，实际整体流体速度已下降至很低，在额定水头工况下可将水流速度由34.3m/s降低至平均不超过6m/s。且管道截面流速相对均匀，高流速集中在中部，从而使导流体同时发挥了消能池的作用，进一步避免了流道分布紊乱，防止水流集中在管壁引起管道磨损、管道振动的现象，确保了该阀长时间运行的稳定性。从本多级消能锥形阀结构分析来看，导流体内的流体成内圈速度较快逐渐往外圈扩散变慢的趋势，流体被分为消能体流道疏导、反射和网孔打散消能，流体得到了很好的疏导和消能，对流量基本无影响。导向筒外只出现小面积的负压，再辅以进排气阀补气，阀门的振动和汽蚀将会控制的非常理想。

最后将锥形阀前设置的非传力波纹管伸缩接头，更换为传力伸缩接头用以减小作用在管道上的部分水平推力。

3 结论

该电站本次生态流量泄放阀门改造为锥形消能阀后取得了良好的应用效果，有效的解决了阀门后端压力钢管道汽蚀及振动问题，解决了该电站长期存在的安全隐患，保障了生态流量的正常泄放，同时避免了该电站需要反复对生态流量钢管道进行焊缝漏水补焊的工作，节约了电站修理费用，取得了一定的经济效益，并具有良好的推广效益。

参考文献

[1]SL 498-2010 锥形阀参数、型式与技术条件