錐形閥的結(jié)構(gòu) 及工作原理

 （1）概述

安裝在壓力管道出口處、具有錐形出流段的閥門(mén)稱(chēng)為錐形閥。

錐形閥通常作為水輪發(fā)電機(jī)組自由排放的旁通閥，或用于連續(xù)排放及流量控制。由于采用了倒置錐形柱塞閥芯而得名，簡(jiǎn)稱(chēng)錐形閥，又因其具有優(yōu)異的消能效果，故又稱(chēng)消能閥。因常用于農(nóng)田灌溉，又稱(chēng)為灌溉閥。錐形閥除了在流道終端設(shè)置有錐形閥芯之 外，所有運(yùn)動(dòng)部件全部設(shè)置在閥門(mén)的過(guò)流通道外部， 使得閥體內(nèi)部流道通常順滑，流量大而壓降損耗少， 其在整個(gè)工作范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生汽蝕及振動(dòng)，在小流量時(shí)仍具有良好的流量控制效果。

（2）分類(lèi)

錐形閥有兩種結(jié)構(gòu)形式，排放型和管中型。

①排放型錐形閥（圖23-62）由一個(gè)固定的錐體（由6片經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的筋板支撐）和一個(gè)可移動(dòng)的不銹鋼套管組成。流量的控制通過(guò)不銹鋼套管前后移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，套管和錐體之間設(shè)有兩層密封（主密封為金屬密封，次密封為橡膠軟密封，實(shí)現(xiàn)零泄漏）。

排放型錐形閥工作時(shí)，水流以寬廣的錐形角度擴(kuò)散，由于水流和空氣大面積的摩擦產(chǎn)生霧化（類(lèi)似雨傘的效應(yīng)），達(dá)到的消能效果，使出口水流不直接沖擊地面（或水面）。

如果現(xiàn)場(chǎng)情況要求抑制水流的沖擊范圍，可加裝導(dǎo)流罩（此時(shí)為防止出流水回流需加裝兩條補(bǔ)氣管）， 以此起到控制水流沖擊范圍的作用。

排放型錐形閥論模型測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)安裝整閥實(shí)測(cè)，在運(yùn)行期間均無(wú)明顯的振動(dòng)。在承壓承流范圍內(nèi)，均能保證無(wú)汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。出水水流只會(huì)在出口部件邊緣斷裂，不會(huì)產(chǎn)生局部氣泡導(dǎo)致閥體振動(dòng)。 閥門(mén)在運(yùn)行行程中，無(wú)論是否安裝導(dǎo)流罩，其排放系 數(shù)和閥門(mén)開(kāi)度均呈線性比例關(guān)系。

排放型錐形閥具有下列優(yōu)點(diǎn)：

a.水力條件好，具有較其他閥門(mén)低的流阻系數(shù)， 彡=0. 75?0. 83或更低。

b.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，所有傳動(dòng)部件均設(shè)置在閥體之外，一目了然，便于維護(hù)檢修。

c.啟閉力小，操作輕便，可適用于無(wú)電源的中小形水利工程場(chǎng)所，可設(shè)置電、氣、液動(dòng)操作啟閉機(jī)構(gòu)，輕松實(shí)現(xiàn)遙控或無(wú)人值守自動(dòng)運(yùn)行。

d.泄流時(shí)噴出水舌為喇叭狀，空中擴(kuò)散摻氣， 消能效果好，簡(jiǎn)單消能池或不用做消能措施，如設(shè)置為淹沒(méi)式出流，則水下的消能亦很簡(jiǎn)單。

e.流體通過(guò)內(nèi)部6條導(dǎo)流翼進(jìn)行均勻分割，不會(huì)產(chǎn)生漩渦和振動(dòng)。

f.其閥門(mén)的啟閉或流量控制則由外部套管的上 下移動(dòng)來(lái)帶動(dòng)錐形閥芯的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制，套筒與閥體之間通過(guò)導(dǎo)向環(huán)和0形圈實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向和密封，使閥的 流量系數(shù)與閥開(kāi)度具備一定的比例關(guān)系。

g.針對(duì)不同狀況和壓力的流體介質(zhì)，可以設(shè)置金屬硬密封和氟塑料軟密封。采用高強(qiáng)度合金不銹鋼耐磨閥座設(shè)計(jì)的復(fù)合密封結(jié)構(gòu)兼具金屬對(duì)金屬硬密封 和軟密封的特性。

h.可限制發(fā)散角度，使流體分解為稀薄噴淋形態(tài)或環(huán)狀對(duì)流達(dá)到?jīng)_擊抵消的目的，同時(shí)適應(yīng)不同現(xiàn)場(chǎng)的需求。

i.根據(jù)閥門(mén)水平線與中軸線的夾角大小，以180°水平安裝zui為常見(jiàn)，此外采用的方式有45°， 60°, 90°。

排放型錐形閥的布置與樞紐建筑物有密切關(guān)系， 如布置不妥，將因射流引起對(duì)建筑物的沖刷或形成的霧氣給電站的運(yùn)行帶來(lái)麻煩，以及放水時(shí)引起的顯著振動(dòng)，因此，布置形式必須慎重考慮，建議根據(jù)地貌和實(shí)際情況，主要從出口方式、安裝方式和發(fā)散方式三個(gè)方面入手，合理安排錐形閥的布置。

a.出口方式的選擇。淹沒(méi)式——適合水頭較低的溝渠等灌溉或飲用水系統(tǒng)，出口四周都為寬闊平坦，以沙石地形為主。噴射式——適合水頭較高、陡峭山體場(chǎng)合。

b.安裝方式的選擇。水平安裝——適合于消能池較薄弱、但場(chǎng)地寬廣、周?chē)鸁o(wú)建筑物。垂直安裝——適合場(chǎng)地狹小或近距離建筑物較多。可選角度安裝——介于水平安裝與垂直安裝之間。

c.發(fā)散形式選擇。自由發(fā)散型在空氣中自由發(fā)散，根據(jù)水頭大小形成不同范圍的發(fā)散區(qū)域。限制發(fā)散型——利用導(dǎo)流罩有效控制錐形閥的出口發(fā)散程度，用于水頭高，出口狹小，涉及建筑物或其他設(shè)施等；用戶應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)消能池或泄洪渠的具體尺寸選擇合適的導(dǎo)流罩。

②管中型固定錐形閥圖23-63為管中型固定錐形閥的結(jié)構(gòu)圖。管中型錐形閥主要由閥體、噴管、 套筒閘、錐體、浮動(dòng)閥座、速度導(dǎo)流器、能量導(dǎo)流器 （按需要配備）、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。

管中型固定錐形閥特點(diǎn)如下：

a.具有開(kāi)啟度-流量系數(shù)的線性特性；

b.汽蝕能有效控制，固定錐形閥座后端*的錐形，使汽蝕發(fā)生的部位不在噴管的管壁上，閥門(mén)后端的速度和能量導(dǎo)流器，使汽蝕區(qū)域與閥體金屬壁分開(kāi)，氣泡在閥體內(nèi)破裂，而非在閥體金屬壁破裂，閥門(mén)免遭汽蝕破壞；

c.振動(dòng)小，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)啟度小于10%，也不會(huì)振動(dòng)；

d.浮動(dòng)閥座及金屬密封設(shè)計(jì)，保證了密封效果， 延長(zhǎng)了閥門(mén)的使用壽命；

e.低流阻損失，可再較低壓差下，滿足流量控制的要求；

f.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于閥體外部，操作力矩小，維護(hù)容易；

g.閥門(mén)抗阻塞能力強(qiáng)。

管中型固定錐形閥抗汽蝕機(jī)理如圖23-64所示。 當(dāng)水流經(jīng)過(guò)閥座與套筒閘進(jìn)入氣泡形成區(qū)時(shí)，由于水流速較快，壓力較低，水形成微小氣泡，氣泡不斷地融合形成較大的氣泡，氣泡隨水流進(jìn)入能量導(dǎo)流器前的爆炸區(qū)時(shí)，水流速急劇變換，且能量導(dǎo)流器的阻力 作用使壓力升髙、氣泡破裂，含較少氣泡的水大部分流經(jīng)導(dǎo)流器進(jìn)入下游管道，避免汽蝕對(duì)下游管道的破壞。較小部分水流回流至速度導(dǎo)流器外圍，被氣泡形成區(qū)的低壓水流，通過(guò)速度導(dǎo)流器的小孔吸人導(dǎo)流器內(nèi)部，形成保護(hù)速度導(dǎo)流器表面環(huán)狀水流，同時(shí)保護(hù)閥體免受汽蝕破壞。