通过恒定流试验对高水头船闸平底廊道反弧形阀门净动水启门力进行了深入研究,提出恒定流条件下平底廊道反弧形阀门净动水启门力的计算公式,表示如下:
图 1门体与吊杆链接式
虽然可以对恒定流作用下的反弧形阀门净动水启门力进行计算,但是船闸输水阀门实际上是在非恒定流环境中运行的,因此有必要在恒定流试验基础上继续对非恒定流作用下的反弧门净动水启门力进行深入研究,完善反弧形阀门净动水启门力的计算公式(1) ,使其能对非恒定流条件下平底廊道反弧形阀门净动水启门力进行计算。
影响反弧形阀门净动水启门力的因素虽然较多,如作用水头、输水系统阻力特性、廊道体型、开门速率以及阀门尺寸等,但归根结底它们都是通过影响廊道水流和门井水流运动来改变阀门周围的流速场和压力场,从而影响和决定阀门净动水启门力的大小。
流速场和压力场都属于矢量场范畴,根据矢量叠加原理,可以考虑对水流作用进行分解,因此本文尝试将阀门净动水启门力分为两个部分进行研究,其中一部分由廊道水流作用产生,另一部分由门井水流作用产生。根据文献研究结果可知,恒定流条件下,也就是在只有廊道水流作用的条件下,各开度下反弧形阀门净动水启门力与孔口水流弗劳德数的平方成线性变化关系。在文献的研究基础上,本文首先研究门井水流运动对反弧形阀门净动水启门力的作用规律,然后提出非恒定流条件下高水头船闸平底廊道反弧形阀门净动水启门力的计算公式,最后利用工程实践对该公式的计算效果进行检验。
1研究方法
本文主要通过物理模型试验及理论分析方法对非恒定流条件下平底廊道中反弧形阀门净动水启门力进行研究。模型阀门段布置见图2,阀门外弧面半径r为237.5mm,门厚d为35mm,阀门处廊道断面宽b为138mm,高h为163 mm,阀门支臂包护方式为半圆形,关闭时,阀门底缘角度均为90°。图3为模型整体布置图。上游水库由平水槽稳定水位,阀2用于调节输水廊道流量,模拟船闸充水过程。阀门净动水启门力是通过电阻式拉力传感器测量,测量误差为0.5%; 流量使用电磁流量计测量。非恒定流试验时,初始作用水头不变,通过阀2调节输水系统流量系数μ,通过步进电机调节阀门开启速率,试验工况见表1。
图2 阀门段布置
图3 模型整体布置
表1 非恒定流试验工况
2门井水流运动对阀门净动水力矩影响规律
与将输水阀门的净动水启门力分为两个部分相同,其净动水力矩也可以分为两个部分: 第一部分是由廊道水流作用产生; 第二部分是由门井水流作用产生,具体表示如下:
(2)
式中:Ml为廊道水流作用引起的阀门净动水力矩;Mm为门井水流作用引起的阀门净动水力矩。
为了研究门井水流运动对阀门净动水力矩的影响规律,在不同的输水廊道流量系数下进行阀门不同开启速率试验,试验对净动水启门力、孔口流量及门井水位进行了测量、采集。通过门井水位变化过程线计算门井水流流速um( 门井水位变化过程线对时间的一阶导数即为门井水流流速,一般门井为了减小其水位波动和方便检修,在阀门上方设置突扩,um是指阀门附近门井未突扩部分水流流速,该部分水体直接作用于阀门) ,向上为正,向下为负。
根据文献可知,恒定流条件下(um=0) ,由廊道水流运动引起的阀门净动水力矩可表示为:
(3)
廊道、门井水流共同作用产生的净动水启门力可表示为:
(4)
根据式(2)~(4) ,门井水流运动引起的阀门净动水力矩可表示为:
(5)
将试验结果按式(5) 进行计算处理 ( 取k3=1) ,可得到各种工况下各开度的Mm值,定义无量纲数为门井水流弗劳德数, 用Frm表示,将各开度所有工况的Mm值与对应门井水流弗劳德数Frm置于同一坐标系上 ( 图4) ,纵坐标为Mm,横坐标为门井水流弗劳德数Frm,可见Mm与Frm有良好的线性关系。经过拟合可以得到Mm的计算表达式:
(6)
式中:k4为图4中各开度拟合直线的斜率(N·m) ;c为直线的截距(N·m)。k4、c值与开度n的关系分别见图5、6。
图4 Mm与Frm的关系
图5 k4与n的关系
图6 c与n的关系
由图5、6可见,k4值、c值均与开度n成线性关系,其拟合关系分别如下:
3非恒定流下阀门净动水启门力计算方法
模型 非 恒 定 流 试 验 是 选 择 厚 度d=35 mm(d/r = 0.147) 的反弧形阀门进行的,但实际上阀门厚度变化对Mm是有影响的,门厚的影响可以近似用系数k5进行校正:
(9)
式 中:IA0为 试 验 模 型 阀 门 面 积 矩,IAo=0. 001882725 m3;IA为计算阀门面积矩,其计算简图见图7,, 需要特别注意的是:计算IA时,必须将计算阀门按一定的轴向比尺和径向比尺进行缩放,使外弧半径r= 0.2375m,门宽b=0.138m。
图7 面积矩计算简图
和廊道水流运动引起的阀门净动水力矩Ml计算一样,门井水流运动引起净动水力矩Mm因原型和模型尺度差异而引起的变化也用k3表示,故反弧形阀门因门井水流作用而产生的净动水力矩Mm可用下式计算:
(10)
综上,非恒定流作用下平底廊道反弧形阀门净动水启门力计算公式可以表示为:
4公式应用举例
红水河乐滩船闸设计最大水头为29.1m,船闸有效尺度为120m×12.0 m×3.0m( 长×宽×门槛水深)。乐滩船闸阀门段廊道体型为平底廊道( 宽2.2m,高2.6m) ,阀门为反弧形阀门( 外弧半径r= 4m,门厚d= 0.4m)。2008年5月,南京水利科学研究院对红水河乐滩船闸进行了原型观测,其中左单边充水( 阀门连续开启,开门时间为250s) 实测结果见表2,F为动水启门力。
表2实测结果
表3计算结果
根据实测的流速值u和um,按公式(11) 计算得出的结果见表3。阀门净动水启门力计算值与实测值对比见图8。
图8 阀门净动水启门力实测值与计算值比较
根据表3和图8可知:1) 公式(11) 计算精度较高。计算结果与实测结果不仅变化趋势一致( 最大值均出现在n=0.5开度附近) ,而且数值大小接近,最大净动水启门力 ( 计算值与实测值分别为123. 78、120. 15 k N) 偏差在5%以内。2) 公式(11) 计算适用的开度范围广。虽然公式(11) 是对阀门开度n=0.2 ~0.7试验数据分析推导而得,但其对n = 0. 1、0. 8、0. 9以及1. 0开度也同样具有较高计算精度,如n = 1. 0时,计算得出的净动水启门力为- 107.54kN,与实测结果-97.20kN较为接近。
5结语
1) 提出了阀门净动水启门力研究的新思路,把阀门净动水启门力分为两个部分,一部分由廊道水流作用产生,另一部分由门井水流作用产生,并在此基础上提出了非恒定流条件下平底廊道反弧形阀门净动水启门力公式。
2) 各开度下由廊道水流运动引起的阀门净动水启门力 ( 或阀门净动水力矩Ml) 与孔口水流弗劳德数的平方Fr2l成线性关系。
3) 各开度下由门井水流运动引起的阀门净动水启门力 ( 或阀门净动水力矩Mm) 与门井水流弗劳德数Frm成线性变化关系。
4) 原型观测结果表明,本文提出的非恒定流下平底廊道反弧形阀门净动水启门力公式不仅计算精度较高,而且适应的开度范围较广。
(来源:中国泵阀第一网)