水力式升船机调流阀掺气减蚀位置的确定方法

技术领域

本发明涉及一种调流阀掺气减蚀位置的确定方法，尤其是一种应用于水力式升船机中的调流阀的掺气位置的确定方法，属于水利工程高端设备领域。

背景技术

水力式升船机是世界首创、中国原创的新型升船机，在承船厢两侧塔柱结构内布置可充、泄水的竖井，竖井中设置平衡重，平衡重通过钢丝绳绕过卷筒与承船厢相连，运行时，通过输水阀门向竖井充、泄水驱动船厢升、降，其调流阀是水力式升船机运行控制的关键，地位十分重要。水力式升船机调流阀运行过程中承受极高水头和极高流速。将现有的任何种类的阀门应用在水力式升船机中，都会面临空蚀破坏的技术难题。对于调流阀门而言，还有精确控制流量的需求。 在现有的能够精确控制流量的阀门中选择合适的阀门进行体型优化，使其具备抗空蚀能力是解决水力式升船机调流阀选型的重要手段。

通常为了减、免调流阀内部高速水流引起的空化空蚀破坏，可以采取一些工程措施，包括：（1）添加扇叶圈、喷孔等消能装置，阀内水流经过扇叶圈、喷孔后，会形成对冲射流，降低阀门出口射流的流速，降低阀门的初生空化数；（2）提高阀结构润湿面的抗蚀性能，采用强度更高的材料，降低空化空蚀破坏掺入的不利影响；（3）通过工程措施，向阀门内部空化的区域掺入空气，提高水流含气量，改变阀门近壁空泡的溃灭过程，减小边壁的空化空蚀破坏。

现有理论研究和工程经验表明，在空化区的近壁水流掺气可以有效抑制空化空蚀破坏，相对其他措施而言，是一种比较经济的措施。而掺气位置的选择的好坏直接影响掺气减蚀效果，若掺气设施布置在高压区，则无法实现自然掺气，需要借助空气压缩机增压才能实现强迫掺气，如已建成的景洪水力式升船机在阀前管道掺气，压力高达70m水头，需要借助空气压缩机和高压储气罐实现强迫掺气，空气压缩机和高压储气罐一方面会占用工程宝贵的布置空间，另一方面也会增加后期的运行成本。因此在实际工程中，寄希望于在低压区进行掺气，以最大程度上减小空压机的功率和储气罐体积。

如果在调流阀内存在负压区，或者能够构建负压区，进而实现自主掺气减蚀将是解决调流阀空蚀问题的最优解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：公开一种方法用来优化调流阀结构使其能够适应水力式升船机调流阀的选型需要。

具体而言，本方法包括以下步骤：

1，通过数值模拟获得调流阀内部流场特征，获得阀门全开时负压区的位置；

具体而言，包括以下内容：1a，选择具有中心轴对称流场的阀门型式；

1b，通过数值模拟获取阀门内部及阀后流场的压强与流速分布；

1c，根据数学模型计算结果，发现阀门流道内部负压区；

若在1c中未发现负压区，则进行步骤2，若在1c中发现负压区则进行步骤3；

2，改变阀体体型参数，继续模拟阀门内部的流场，发现负压区域；

具体而言，是改变阻水结构体沿流向和垂直流向的几何比例关系，通过构造更弯曲或者更平直的流体边界，控制流体的流速改变率；

2a，对于锥形阀而言，分别改变锥角范围从60°~90°分别计算阀内流场；

2b，对于活塞阀而言，分别改变阀体最长轴和最短轴的比值为2：1~5：1分别计算阀内流场；

2c，对于其他阀体而言，改变阻水结构的纵横比，分别计算阀内流场；

3，选择以上能够满足负压条件的阀体体型参数，进行开度影响分析；

具体而言，包括以下内容：3a，预设阀门在相对开度n=0.2，n=0.6,n=1.0，获取阀门高流速区压强；

3b，选择在以上三种开度下均能保持负压或接近大气压强的区域作为掺气结构优化区域；

3c，若在以上三种开度下出现一种或多种工况超过2倍大气压，则重新进行步骤2，直到达到3b所规定的条件；

4，根据以上掺气区域构建阀门掺气结构方案，掺气结构方案的基本要求是：

4a，掺气结构以阀体轴对称中心为中心，进行空间环向布置；

4b，掺气点掺入的气体同时进入主流外侧和内侧的边界层。

本发明的有益效果在于：

（1）本方法能够获得调流阀流道内部稳定的负压区，能在阀门整个开启过程实现自然掺气；

（2）该方法能够对多种阀门在水力升船机的转移使用中进行防空蚀结构优化。

水力式升船机调流阀的防空化设计一直是一项难题，它直接关系到工程的安全运行，本发明为调流阀自然掺气确定了掺气点位置，经本方法确定的掺气点位置，掺气稳定可靠、覆盖范围广，具有普遍适用性。

附图说明

图1调流阀为锥形阀，锥角为90°，开度为0.2时，压强分布示意图；

图2调流阀为锥形阀，锥角为60°，开度为0.6时，流速分布示意图；

图3采用本方法得到的锥形阀掺气减蚀位置示意图；

图4采用本方法得到的活塞阀掺气减蚀位置示意图；

图5掺气前后空化噪声强度对比示意图。

实施方式

实施例

本发明所要解决的技术问题是：公开一种方法用来优化调流阀结构使其能够适应水力式升船机调流阀的选型需要。

具体而言，本方法包括以下步骤：

1，通过数值模拟获得调流阀内部流场特征，获得阀门全开时负压区的位置；

具体而言，包括以下内容：1a，选择具有中心轴对称流场的阀门型式锥形阀；

1b，通过数值模拟获取锥形阀内部及阀后流场的压强与流速分布；

1c，根据数学模型计算结果，发现锥形阀阀门流道内部负压区见图1；

在1c中未发现负压区，进行步骤2，；

3，选择以上能够满足负压条件的阀体体型参数，进行开度影响分析；

以上满足负压条件的阀体体型参数为锥形阀锥角=90°；

对以上锥形阀阀体进行开度分析：3a，预设阀门在相对开度n=0.2，n=0.6,n=1.0，获取阀门高流速区压强；

3b，通过模型计算得到锥形阀锥角等于90°时，在以上三种开度下，图3的31位置均能保持负压，因此此处作为掺气结构优化区域；

4，根据以上掺气区域构建阀门掺气结构方案，掺气结构方案的基本要求是：

4a，掺气结构以阀体轴对称中心为中心，进行空间环向布置；

在原有锥形阀套筒处设置掺气孔和掺气廊道，若结构不能满足可以将套筒91沿流向延伸，增加负压区空间；

4b，掺气点掺入的气体同时进入主流外侧和内侧的边界层；

掺气点在同时设置在主流的外侧和内侧，因此掺入气体进入流体边界层。

实施例

本发明所要解决的技术问题是：公开一种方法用来优化调流阀结构使其能够适应水力式升船机调流阀的选型需要。

具体而言，本方法包括以下步骤：

步骤1，通过数值模拟获得调流阀内部流场特征，获得阀门全开时负压区的位置；

具体而言，包括以下内容：1a，选择具有中心轴对称流场的阀门型式活塞阀；

1b，通过数值模拟获取活塞阀内部及阀后流场的压强与流速分布；

1c，根据数学模型计算结果，未发现活塞阀阀门流道内部负压区；

在1c中未发现负压区进行步骤2；

步骤2，改变阀体体型参数，继续模拟阀门内部的流场，发现负压区域；

2b，对于活塞阀而言，分别改变阀体最长轴和最短轴的比值为2：1计算阀内流场；

在1c中发现负压区进行步骤3；

步骤3，能够满足负压条件的活塞阀体型参数为阀芯长轴与直径的比为2：1，进行开度影响分析；

对以上活塞阀阀体进行开度分析：3a，预设阀门在相对开度n=0.2，n=0.6,n=1.0，获取阀门高流速区压强；

3b，通过模型计算得到活塞阀阀芯长轴与直径的比为2：1时，在以上三种开度下，图4的51，52位置均能保持负压，因此51，52处作为掺气结构优化区域；

4，根据以上掺气区域构建阀门掺气结构方案，掺气结构方案的基本要求是：

4a，掺气结构以阀体轴对称中心为中心，进行空间环向布置；

在原有活塞阀鼠笼首端51和末端52沿环形掺气孔和掺气廊道；

4b，掺气点掺入的气体同时进入主流外侧和内侧的边界层；

掺气点在同时设置在主流的外侧和内侧，因此掺入气体进入流体边界层。