专利名称：多喷孔套筒式调流阀设计方法和套筒式调流阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多喷孔套筒式调流阀设计方法和套筒式调流阀，是用于一种输水
工程的阀门的设计方法和设备，是一种套筒式调流阀的设计方法和使用所述设计方法设计 的多喷孔套筒式调流阀。
背景技术：
多喷孔套简式调流阀的诞生已经有40年的历史(Miller, 1969 ;Burgi， 1977)，目 前在输水工程中获得广泛应用。多喷孔套简式调流阀有如下优点①可以在高压差环境下， 长期无气蚀运行；②可以全程(由全开到全关)调流调压，调流精度高，一般为过流量的 ±0.5% ;③无危害性噪音和振动，用于清水时，可以长期无故障运行，使用寿命长达30-50 年；④可以采用电力、液压等多种方式驱动。既可以现场操作，也可以远方控制；⑤消能、减 压范围广，能适应上游水头的不断变化。现有多喷孔套筒式调流阀的套筒上的喷孔是均匀 分布，并且所有喷孔的直径相同。这种喷孔均匀分布并且喷孔直径相同的套筒式调流阀的 无量纲阀门流量系数t和开度y特性曲线是线性的，或者上凸的。最新的研究表明，对中 高水头、长距离、大流量管道输水工程，现有调流阀特性的设计存在水击过程控制困难的问 题，其原因是在大开度时，流量随开度y的减小改变不大，使得流量的改变集中在小开度， 导致水击压力过大，或者关闭时间太长而无法实施。
发明内容
为克服现有技术问题，本发明提出一种多喷孔套筒式调流阀设计方法和套筒式调
流阀，所述设计方法有意识的修改无量纲阀门流量系数t和开度y特性曲线，将该特性曲
线向下凹，形成理想调流阀，其特性是使流量随开度y线性变化，这时关闭阀门时的水压与
关闭时间成正比，在相同的线性关闭时间，调流阀引起的水击压力升高最小。具体设计的套
筒式调流阀的套筒上的孔设计为套筒上部的孔较大，套筒下部的孔较小。 本发明的目的是这样实现的一种多喷孔套筒式调流阀的设计方法，其特征在于
所述方法的步骤如下 计算水头损失的步骤用于根据给定条件调流阀设计流量Qf，上下游水池水面设 计高程差A Z，管道设计阻抗系数S通过公式
A Hr = A Z-SQr2 计算调流阀全开时的水头损失AHr ; 计算调流阀的圆筒式内闸截面积的步骤用于选择调流阀的圆筒式内闸标称直径 D，并通过圆筒式内闸标称直径D计算圆筒式内闸截面积A ; 计算阻力系数的步骤用于通过调流阀设计流量Qr、调流阀全开时的水头损失 △ H。圆筒式内闸截面积A和公式 <formula>formula see original document page 4</formula>
计算调流阀全开时的阀门阻力系数4 j 计算调节阀的无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系并计 算确定圆筒式内闸上的喷孔参数的步骤用于建立无量刚流量系数t和阀门开度系数y对 应关系或近似对应关系曲线，并根据所述关系曲线计算确定圆筒式内闸上的喷孔的大小及 喷孔沿周向和轴向的分布参数。 —种根据上述方法设计的多喷孔套筒式调流阀，包括设有出水口的阀体，所述的 阀体的中部安装有阀座，所述的阀座上安装有带多个喷孔的圆筒式内闸，内闸的上部连接 阀套筒，所述的阀套筒连接进水口 ，所述阀套筒上还安装有传动和动力装置，所述的圆筒式 内闸的喷孔直径随位置的变化而不同，圆筒式内闸上半部的喷孔直径较大，下半部的喷孔 直径较小。 本发明产生的有益效果是通过将无量纲阀门流量系数t和开度y特性曲线，将 该特性曲线向下凹，形成理想调流阀。具体设计调流阀时可以简单的通过调整调流阀圆筒 式内闸的标称直径、圆筒式内闸上的喷孔的分布和大小实现，对于应用现有工艺进行调流 阀的制造不增加太多的困难。在实际生产中仅仅改变圆筒式内闸上上下喷孔的直径即可达 到目的。根据本发明所述方法进行设计的调流阀适应长距离、大流量管道输水系统的水击 控制，效果明显。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图l是输水工程示意图； 图2是传统的调流阀的无量纲阀门流量系数t和开度y特性曲线； 图3是本发明实施例一所述的方法设计的理想调流阀的无量纲阀门流量系数t
和开度y特性曲线； 图4是本发明实施例三所述的方法设计的调流阀的无量纲阀门流量系数t和开
度y特性曲线； 图5是本发明实施例四所述的调流阀结构示意图。
具体实施方式
实施例一 输水工程的水位和调流阀的位置如图1所示。其中Z工和Z2分别为调流阀1的上 游水位和调流阀的下游水位。调流阀进出口水头损失可描述为
"r 卩2 Ai/ =
2g ( 1 ) 式中AH-调流阀的水头损失；V-通过调流阀的水流流速，4-阀门阻力系数，
g-重力加速度。 式(1)可以改写为 M/ = A//rl^ … (2) 式中AHr-调流阀全开，即y = 1. 0时的调流阀的水头损失，其中下标r表示调流
5阀全开；q = Q/Qr ;r = VfT 无量纲阀门流量系数。 调流阀厂家常常提供4 _y离散数据代表调流阀特性，或采用式(2)关系可得图2 所示无量纲阀门流量系数t与阀门开度系数y的关系曲线。 从图2可见，传统的无量纲阀门流量系数t和阀门开度系数y特性曲线是线性 的，或者上凸的，这有利于在阀门的整个行程内允许精确的流量控制，但是不利于长管道的 水击控制。 本实施例是一种多喷孔套筒式调流阀的设计方法。本实施例通过把无量纲流量系 数t与阀门开度系数y和管路特性结合起来，获得理想调节阀t与y的计算公式，然后根 据实际情况需要，设计适应水击控制的多喷孔套简式调流阀。
为了实现上述目标，首先建立分析模型
阀门的水头损失可描述为 A// = f
右，
(3)
:，A-调流阀截面积，4
阀门阻力系数， 式中A H-调流阀水头损失，Q-调流阀、》 g_重力加速度。
式(3)可以改写为 A// = ^^
a2 一 (4) 式中AHr-调流阀全开，即y = 1.0时，即阀门全开时的调流阀的水头损失，其中 下标r表示调流阀全开；q = Q/Qr ;r = V^7 无量纲流量系数。
如图1所示，管道上游水池与下游水库的伯努利能量方程为
Zi二Z2+AH+SQ2 (5) 式中Z^上游水池水面高程；Z2_下游水池水面高程；S_管道阻抗系数。式(5)右
边第三项表示管路水头损失。 将式(4)代入式(5)得
"一 (6)
1禾口Q = Qr，从式(6)可得
式中A z = Z「Z2。
由于阀门全开时t
s — Az - a/j;
=" (7)
若流量Q随阀门开度y线性变化时，即 Q = Qry (8)
这时调流阀将具有最好的水力性能，满足这一条件的调流阀就称为理想调流阀。 将式(7)和式(8)关系代入式(6)可得
Az = Ai/r 4 + (Az _ Mrr V
6
<formula>formula see original document page 7</formula>
(9) 式(9)就是理想调流阀t与y的关系。换句话说，只要满足式(9)条件，流量就 随阀门开度线性变化。图3示出了理想调流阀无量纲流量系数t与阀门开度y的关系曲 线。显然，理想调流阀特性曲线是下凹型。
由r = V^7 可得
<formula>formula see original document page 7</formula>
式(10)就是理想调流阀的阀门阻力系数4与y的关系。 根据这一理论，本实施例对调节阀的设计提出的设计方法的步骤如下
计算水头损失的步骤用于根据给定条件调流阀设计流量Qr，上下游水池水面设 计高程差A Z，管道设计阻抗系数S通过公式
A Hr = A Z-SQr2 计算调流阀全开时的水头损失AH" 计算调流阀的圆筒式内闸截面积的步骤用于选择调流阀的圆筒式内闸标称直径 D，并通过圆筒式内闸标称直径D计算圆筒式内闸截面积A。 计算阻力系数的步骤用于通过调流阀设计流量Qr、调流阀全开时的水头损失 △ H。圆筒式内闸截面积A和公式 f
<formula>formula see original document page 7</formula> 计算调流阀全开时的阀门阻力系数4" 计算调节阀的无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系并计
:刚流』
算确定圆筒式内闸上的喷孔参数的步骤用于建立无量刚流量系数t和阀门开度系数y对 应关系或近似对应关系曲线，并根据所述关系曲线计算确定圆筒式内闸上的喷孔的大小及 喷孔沿周向和轴向的分布参数。 根据调节阀的无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系计算 确定圆筒式内闸上的喷孔参数的方式，可以按照理想的方法即通过公式(10)确定 <formula>formula see original document page 7</formula>
将y在0和1之间的一系列值带入公式(10)中计算对应的一系列4值。0禾口 1 之间选定数值的多少由要求的精度决定，精度要求高则选择较多的数值，反之则少。例如 以十分之一为间隔选取数值则是0. 1、0. 2……，或更精确的使用百分之一间隔，或者粗糙
一些使用五分之一间隔等等。然后通过公式r-V T 计算得到t的值最终得到y与t
之间的关系曲线。再根据这个关系曲线获得计算确定圆筒式内闸上的喷孔大小及沿周向和
轴向的分布规律。根据y与t之间的关系曲线计算圆筒式内闸上的喷孔大小及沿周向和轴 向的分布是一种通常的计算方法，可以在许多文献中找到(Burgi，P.H. "Hydraulic Tests andDevelopment of Multijet Sleeve Valves。"Bur. Reclam. Rep. RECERC77-14. Div ofGen Res. December 1977.)。
制造理想调流阀技术上可以做到，但可能使得调流阀标称直径D过大，调流阀造 价过高。在这种情况下，采用下述设计方法在0与1之间选取1至3个y的值，通过公式 (9)计算得到对应的t值，根据这几个t值做出一条近似于理想y与t之间的关系曲线 的折线型y与t关系曲线，再通过这个折线型y与t关系曲线，计算确定阀体上喷孔的大 小及沿周向和轴向的分布规律。(有专用软件)。选择点的多少由精度决定，如果选择一个 点，如y = 0. 5则得到一条两段的折线，如果选择两个点，就是一条三折线，如此等等。
实施例二 本实施例是实施例一的改进，是实施例一的关于计算调节阀的无量刚流量系数t 与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系并计算确定圆筒式内闸上的喷孔参数的步骤的 细化。本实施例所述的计算调节阀的无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间 对应关系并计算确定圆筒式内闸上的喷孔参数的步骤
将AZ、 AH。A以及y等于0_1之间的多个数值带入公式f = & —(^;^^)^获得多个与阀门开度系数y值对应的阀门阻力系数^
值；
刚浐
加J
由r-VJ7^获得多个与阀门开度系数y值对应的无量刚流量系数t值，形成无量 系数t与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系曲线；
根据无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系曲线计算确定 圆筒式内闸上的喷孔参数。 本实施例是一种理想的调流阀的设计方式。
实施例三 本实施例是实施例一的改进，是实施例一的关于计算调节阀的无量刚流量系数t 与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系并计算确定圆筒式内闸上的喷孔参数的步骤的 细化。本实施例所述的计算调节阀的无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间 对应关系并计算确定圆筒式内闸上的喷孔参数的步骤
将参数A Z、 A H。 y = 0. 5带入公式
復
<formula>formula see original document page 8</formula>
计算出t在y = 0.5时的值
无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系曲线设为两段，如
<formula>formula see original document page 8</formula>
图4所示
根据7 = ^7^,8卩？-,，计算不同开度y对应的阀门阻力系数4的值； 根据阀门阻力系数4与阀门开度系数y的参数，计算确定阀体上喷孔的大小及 沿周向和轴向的分布规律。 一般情况下，在0《y《0. 5区间，阀体上喷孔的大小相同；在 0. 5《y《1区间，阀体上喷孔的大小也相同。 本实施例是一种无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间两折线的设计方式，适应工业生产，现有的调流阀生产工艺基本不用改变，仅仅在圆筒式内闸所打孔大
小上改变一些就可以了。
实施例四 —种根据上述实施例所述方法设计的多喷孔套筒式调流阀，如5所示，包括 设有出水口的阀体6，阀体的中部安装有阀座7，阀座上安装有带多个喷孔的圆筒式内闸8， 内闸的上部连接阀套筒4，阀套筒连接进水口 2，阀套筒上还安装有传动和动力装置3，圆筒 式内闸的喷孔直径随其在圆筒式内闸上位置的变化而不同，圆筒式内闸上半部的喷孔直径 较大，下半部的喷孔直径较小。 本实施例所采用的是一种两折线的无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数 y之间关系曲线的设计方式设计的调流阀，所谓圆筒式内闸上半部的喷孔直径较大，下半部 的喷孔直径较小指的是在圆筒式内闸的上半部与下半部的喷孔的直径不同，上半部的喷孔 较大，下半部的喷孔较小。这样在调流阀开启过程的初期阶段水只能从较小的喷孔中喷出， 这时由于开启的喷孔较少，单个喷孔水的压力较大，喷孔的直径虽然较小，但流量并不小。 当圆筒式内闸开启过程的后期阶段，大部分的喷孔已经排水，单个喷孔的水压降低，这时使 用大的喷孔可以加大流量。按照理想的状态，圆筒式内闸是由下往上开启的话，分布在圆筒 式内闸上的喷孔直径应该由下往上逐渐加大。反之，如果圆筒式内闸是由上往下开启的话， 分布在圆筒式内闸上的喷孔直径应该由上往下逐渐加大。总之，先开启的喷孔应当较小，后 开启的喷孔应当较大。但在实际调流阀的制造过程中，太多直径的喷孔加工起来过于繁复， 对制造工艺工程不利。仅仅改变圆筒式内闸上半部和下半部的喷孔直径已经足以达到良好 的效果，因此不必过多的改变圆筒式内闸上喷孔的直径。 最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布 置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术 方案(比如公式的变换、t与y之间关系曲线的其他下凹方式进行等)进行修改或者等同 替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
一种多喷孔套筒式调流阀的设计方法，其特征在于所述方法的步骤如下计算水头损失的步骤用于根据给定条件调流阀设计流量Qr，上下游水池水面设计高程差ΔZ，管道设计阻抗系数S通过公式ΔHr＝ΔZ-SQr2计算调流阀全开时的水头损失ΔHr；计算调流阀的圆筒式内闸截面积的步骤用于选择调流阀的圆筒式内闸标称直径D，并通过圆筒式内闸标称直径D计算圆筒式内闸截面积A；计算阻力系数的步骤用于通过调流阀设计流量Qr、调流阀全开时的水头损失ΔHr、圆筒式内闸截面积A和公式 <mrow><msub> <mi>ζ</mi> <mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>g</mi><msup> <mi>A</mi> <mn>2</mn></msup><mi>Δ</mi><msub> <mi>H</mi> <mi>r</mi></msub> </mrow> <msup><msub> <mi>Q</mi> <mi>r</mi></msub><mn>2</mn> </msup></mfrac> </mrow>计算调流阀全开时的阀门阻力系数ζr；计算调节阀的无量刚流量系数τ与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系，并计算确定圆筒式内闸上的喷孔参数的步骤用于建立无量刚流量系数τ和阀门开度系数y对应关系或近似对应关系曲线，并根据所述关系曲线计算确定圆筒式内闸上的喷孔的大小及喷孔沿周向和轴向的分布参数。
2.根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述的计算调节阀的无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系并计算确定圆筒式内闸上的喷孔参数的步骤将AZ、 AHr、A以及y等于O-l之间的多个数值带入公式f = /三& —(&;^f)^获得多个与阀门开度系数y值对应的阀门阻力系数^值；由r-VJ7^获得多个与阀门开度系数y值对应的无量刚流量系数t值，形成无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系曲线；根据无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系曲线计算确定圆筒式内闸上的喷孔参数。
3.根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述的计算调节阀的无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系并计算确定圆筒式内闸上的喷孔参数的步骤将参数A Z、 A H。 y = 0. 5带入公式"\( Az _ (Az - A//》2计算出t在y二0.5时的值、5;将无量刚流量系数t与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系曲线设为两段t = 、.5y，0《y《0.5t = 、.5+2(l-、.5) (y-0.5)，0.5 < y《1根据r-V^7 ，即f-,，计算不同开度y对应的阀门阻力系数^的值；根据阀门阻力系数4与阀门开度系数y的参数，计算确定阀体上喷孔的大小及沿周向和轴向的分布规律。
4. 一种根据权利要求3所述方法设计的多喷孔套筒式调流阀，包括设有出水口的阀体，所述的阀体的中部安装有阀座，所述的阀座上安装有带多个喷孔的圆筒式内闸，内闸的上部连接阀套筒，所述的阀套筒连接进水口 ，所述阀套筒上还安装有传动和动力装置，其特征在于，所述的圆筒式内闸的喷孔直径随位置的变化而不同，圆筒式内闸上半部的喷孔直径较大，下半部的喷孔直径较小。
全文摘要
本发明涉及一种多喷孔套筒式调流阀设计方法和套筒式调流阀，是一种套筒式调流阀的设计方法的使用所述设计方法设计的多喷孔套筒式调流阀。本发明所述方法的步骤包括计算水头损失的步骤；计算调流阀的圆筒式内闸截面积的步骤；计算阻力系数的步骤；计算调节阀的无量刚流量系数τ与调节阀的阀门开度系数y之间对应关系，并计算确定圆筒式内闸上的喷孔参数的步骤。本发明通过将无量纲阀门流量系数τ和开度y特性曲线，将该特性曲线向下凹，形成理想调流阀。具体设计调流阀时可以简单的通过调整调流阀圆筒式内闸的标称直径、圆筒式内闸上的喷孔的分布和大小实现，对于应用现有工艺进行调流阀的制造不增加太多的困难。
文档编号F16K3/00GK101718347SQ20091024178
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者杨开林 申请人:中国水利水电科学研究院