不同类型阀门水锤特性计算比较

2015-02-28木寿鞠小明杨济铖

东北水利水电 2015年7期

郎木寿，鞠小明，杨济铖

（1.四川大学水利水电学院，四川成都 610065；2.四川华能宝兴河水电有限责任公司，四川雅安 625000）

1 概述

阀门是供水管路常用设备，其关闭和开启是引起供水管路水锤现象的原因之一。由于不同种类的阀门结构不同，其过流特性也不相同，几种常用阀门如闸阀、球阀、蝶阀、止回阀的流量系数曲线如图1所示。下文采用瞬变流计算方法，对这些不同种类的阀门水锤特性进行计算和分析比较，可为阀门选择和供水工程安全评估等提供参考。

图1 阀门流量系数

2 计算方法

2.1 特征线方程简介

特征线法是目前求解有压管道系统水锤压力和其它水力瞬变过程最常用的数值计算方法，其特点是程序结构简单，易于处理复杂边界，适用于包括阀门、水泵等管路设备在内的供水管路系统的水力瞬变计算分析，并有足够的工程计算精度。

有压管道水锤计算的基本方程主要有运动方程和连续方程，它们是一组偏微分方程组，形式如下：

1）运动方程

2）连续方程

式中：H 为压力，m；V 为流速，m/s；x为从管段左端起算的距离，m；g为重力加速度，m/s2；f为沿程损失系数；D 为管径，m；a为水锤波速，m/s；t为时间，s。

将其沿正特征线和负特征线分别积分可得适用于数值计算的正负特征方程，其形式如下：

其中：

式中：HP为t时刻管段第i节点处的压力，m；QP为t时刻管段第i节点处的流量，m3/s；B为管道特性系数，R为阻力系数，均为常数；A为该管段面积，m2；HA为t-△t时刻管段第i-1节点处的压力，m；QA为t-△t时刻管段第i-1节点处的流量，m3/s；HB为t-△t时刻管段第i+1节点处的压力，m；QB为t-△t时刻管段第i+1节点处的流量，m3/s；△x为管段相邻两节点的距离，m；CP，CM分别与t-△t时刻的压力和流量有关，对t时刻是已知量。

式（3）和（4）结合管路中的边界条件方程，就可以求解出有压管道系统各节点的压力值和流量值随时间的变化过程。

2.2 阀门边界方程

当水力坡降线的基准取在阀体中心线时，对于管道末端某一开度的阀门，其定常流方程为：

式中：HP是阀门处的瞬时水力坡降，m，此处亦为计算时刻阀门前的测压管水头；QP为计算时刻的流量，m3/s；Cd是对应此时阀门开度的流量系数；A是计算时刻阀门的开启面积，m2。

取阀门所在位置断面节点编号为Ns，并将式（3）和式（5）联解可得：

式中：CE=gC2dA2。HPNS可由式（3）或式（5）直接求解。

3 不同类型阀门水锤特性计算比较

3.1 计算数据资料

恒定水箱水位供水管道系统末端安装阀门，管径D1=0.12 m，管长L1=100 m，管道粗糙系数n1=0.012，分段数 N1=10；管径 D2=0.10 m，管长 L2=100 m，粗糙系数n2=0.012，分段数N2=10，水锤波速a计算为1000 m/s，水箱供水水位Hres=20 m。计算起始时刻为恒定流，阀门全开。分别计算管道末端安装不同类型阀门后，阀门关闭过程中产生的水锤压力和变化过程，藉此比较不同类型阀门的水锤特性，阀门处的压力值以阀门中心线为计算基准，阀门按面积线性减小的规律关闭。

3.2 阀门恒定流初始流量和节点压力计算

根据流体力学中阀门出流公式，可计算出管道末端装设不同阀门全开时的流量和压力，计算管道中的水头损失，可得管路系统中各节点处的初始流量和压力。计算中不同阀门采用的流量系数特性曲线如图1。众所周知，水锤压力大小与流量变化的速率有关，由于不同阀门的阻力特性不同，安装在同一系统中的不同类型阀门的恒定流初始流量亦不同，为比较不同类型阀门的水锤特性，前提条件应是初始流量相同，为此调整阀门直径以满足系统初始流量相同的计算条件。表1是系统流量相同时用于计算的不同类型阀门直径值。

表1 阀门全开且流量相同时不同阀门的直径

3.3 计算与分析

采用前述瞬变流水锤压力计算方法，用不同阀门对应开度的流量系数，可以分别计算出蝶阀、止回阀、闸阀、球阀在关闭过程中，阀门前的水锤压力值及其变化过程。阀门关闭时间TV分别取5，10，20，40 s等4个值，所得结果如图2所示。

图5 阀门不同关闭时间时的水锤压力

表2和表3列出了几种阀门在不同关闭时间的情况下，阀门前的水锤压力最大值及其出现时刻。从表中数据可以看出，当阀门关闭时间较短时，水锤压力的最大值有差异，蝶阀＞球阀＞闸阀，止回阀最小。从图2不同关闭时间的变化过程可以看出，不同阀门的水锤压力变化过程类似，都是最大值发生在阀门关闭过程中的某个时刻，并且在阀门关闭的起始阶段，水锤压力升高的速率较小，阀门关闭的中间阶段水锤压力升高的速率较大。阀门关闭的终了阶段水锤压力迅速下降，当阀门关闭后，阀门前的压力值逐渐稳定在上游水位。此外，阀门关闭时间相同，各阀门最大压力出现的时刻变化也不大，并且最大压力值随着关闭时间的延长而减小，当关闭时间足够长时，压力最大值接近上游水位，此时阀门的关闭时间对水锤压力的影响很小，也与阀门类型关联性不大。

4 结论

基于不同类型阀门的水锤计算研究表明，阀门的水锤特性与流量系数有关，阀门关闭时间较短时，最大水锤压力与阀门类型有关，最大压力出现的时刻基本相同，与阀门类型关系不大；当阀门关闭时间较长时，最大水锤压力与阀门类型关联性不大。上述结论是基于不同结构阀门的流量系数曲线计算得到的，对于工程上可能引起快速关闭的重要阀门，其流量系数会影响最大水锤压力值，拟对阀门进行专门的流量系数测定，选择阀门时应考虑其对管路水锤特性的影响。而对于阀门关闭时间较长的一些系统，阀门类型对最大水锤压力几乎没有太大影响，选择阀门时可以不必考虑其水锤特性指标，可以更多地考虑阀门及其管路设备的经济性指标。