CN109115481B - 一种多功能阀门水力特性及空化性能试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能阀门水力特性及空化性能试验装置，包括：供水段、试验段和回水段；并列多线阀门试验工作段；属于阀门试验领域。本发明的有益效果在于多泵驱动设计，可为阀门试验提供更多试验工况条件，例如空化试验所需的高压降、大流量条件；阀门试验工作段试验条件更为稳定、精确；便于同时进行多阀试验，缩减试验时间；便于观察试验阀门后的水流流态及空化现象；简化了试验阀门安装流程。

Description

一种多功能阀门水力特性及空化性能试验装置

技术领域

本发明涉及一种阀门试验装置，具体是一种多功能阀门水力特性及空化性能试验装置，属于阀门试验领域。

背景技术

在流体系统中，阀是控制流体介质流动，调节流体介质的流量、压力的设备的统称。阀的形态各异、种类繁多、用途广泛。其功能主要包括切断或接通介质，控制调节流量，控制流动方向、防止回流，控制或释放压力等。例如水利水运工程领域，即有多种针对水利水运工程特点的阀门型式。平板门、弧形门、反向弧形门等阀门型式都有较长的应用历史，活塞式流量调节阀、套筒式流量调节阀、环喷式流量调节阀、内聚式流量调节阀是近几十年来出现的新型阀门型式，近些年来都有越来越多的应用。

随着我国高坝通航技术的迅猛发展，工业阀门被越来越多地应用在通航建筑物中。水力式升船机即是通过对大型工业阀门的精确控制来调节输水流量，进而控制升船机的运行速度及加速度等关键指标。阀门性能的优劣及其运行安全稳定性与升船机运行效益密切相关，保证阀门安全是升船机稳定运行的关键之一。为保证阀门的应用安全并最大化使用效率，针对阀门模型进行试验，掌握其特性，确定其最佳使用方式十分必要。

目前，阀门试验装置的主要设计思路有：适用于特殊阀门、特殊工况的试验装置；更加智能的试验装置等。

适用于特殊阀门、特殊工况的试验装置，例如低温阀门试验装置，因为需要从低温传热学的角度对低温阀门进行深冷试验，对关键部件和试验过程的控制就决定了低温阀门试验装置的特殊性。再如，阀门水力学研究领域，为试验阀门的空蚀空化性能，常需要进行减压试验，其阀门试验装置就必须配置真空泵等设备。或是，为了给待测阀门提供一个可升降温度，或者恒温环境的高低温循环密封操作性能试验装置。以及，为了解决仅外高温对阀门耐火试验，高温阀门试验不全面的问题，而设计的一种管内燃烧超高温阀门试验装置。

更加智能的阀门试验装置是随着智能化技术和数字化技术的不断发展，工业阀门试验装置实现了革新改造及使用性能的升级。例如，一种基于计算机数据采集的低温阀门试验装置，即是通过安设多种智能传感器，更多地利用计算机来进行试验操作，达到简化试验过程，提高效率等目的。

以上阀门试验装置无一例外的只能进行单一阀门试验，不便于进行多种阀门的即时对比试验，或是同种阀门的多工况试验。现有技术的缺陷在于：阀门试验装置为单线设计，功能单一，单次试验只能针对一台阀门，进行一个工况。传统阀门试验段后出水段为固定端，无法移动。而不同类型的阀门一般其长度均不同，因此在安装时往往需要修改试验段前后管道长度，重新焊接组装才能完成换阀过程，工艺复杂且费时费力。行对比试验，不仅需组装不同阀门，还要重新调整试验条件，降低了试验效率，且存在试验条件可能因重新调整而存在较大误差，从而影响试验结果。现有技术中缺乏一种可以进行并行试验阀门试验装置。并行试验的阀门试验装置不是简单地将多个试验管道直接并联在上游的高压泵末端，或者只是简单地将多个调压泵与试验段简单地并列连接就可以解决问题。

事实上阀门试验中的两个最重要的边界条件是压力和流量。多个调压泵的输出压力往往是不同的，即使压力相同，其输出流量也有差异，因此将多个调压泵法分别跟不同的试验阀门相互连接时，由于调压泵的差别会造成并行试验中的各个阀门压力或者流量很难调节一致。若采取多个调压泵共同输出到同一个调压室，然后自调压室重新分配到并行试验中的方法，则能够部分解决各个调压泵工作不均衡的问题，但是调压室需要重新调整压力、流速和流量。调压室需要与其上游管道和下游管道共同配合完成压力、流速、流量的重新调配。目前已知技术中并无此种设计。尤其在进行阀门的空化临界试验时，对压力的精度要求很高，现有装置均无法准确获得阀门的初生空化数。

另外，对于同一种阀门往往由于工艺的差别，初生空化现象也不会同时产生，但往往边界条件差别很小，初生空化现象的出现的时间也非常接近，需要将待试验的阀门同时安装在试验段，在初生空化发生的瞬间进行直观对比才能发现哪个阀门的抗空化性能更优。

发明内容

本发明目的是提供一种多功能阀门水力特性及空化性能试验装置。

本发明是一种多功能阀门水力特性及空化性能试验装置，包括：供水段、试验段和回水段。

上述的供水段包括：离心泵；循环水库；调流阀；阀前稳压箱；

上述的离心泵为380v电机驱动；在设计中发现，若使用220v电机驱动，无法获得压力稳定的水流。

其中，上述的离心泵扬程≥150m水头；

上述的循环水库容量＞试验系统满载容量+富裕水深容量；

上述的调流阀控制精度为0.01Mpa，调流阀内径为R₁，试验证明只有这样的配置，才能满足空化临界试验的调控需求；

上述的阀前稳压箱的长度L＝6R₁，稳压箱高度H≥5R₁，阀前稳压箱宽度与回水段阀后稳压箱宽度相等。

上述的阀前稳压箱中部设有隔板，将阀前稳压箱上半部利用钢板分为前后两部分，在钢板下部为消能格栅，同时在阀前稳压箱上下部分割处，设置水平的消能格栅，栅条厚度d与栅条间隙s的关系为s＝2d/3，栅条沿水流方向宽度与厚度相等。这样设置能较好地消减入箱水体的紊动能，保证出箱水流的均匀性和稳定性，有利于多阀并行试验条件的统一。

试验段主要包括：试验段调压阀；阀前整流段；电磁流量计；电子压力表；试验阀门；透明观察段。其中，试验段调压阀调压精度为0.01Mpa；所述的试验段调压阀内半径为R₂；

上述的阀前整流段长度L≥6R₂才能保证进入试验阀门的水流均匀稳定；透明观察段采用有机玻璃制作，试验过程中可以清晰地观察到阀后流态及空化现象。玻璃管壁厚度按下式计算，才能保证试验安全：

σ_θmax为最大周向应力；n为安全系数，一般取3；P_i为管道内最高压力；k＝R_o/R_i，R_o为管道外半径，R_i为管道内半径，P_c为材料的容许应力。

回水段主要包括：回水段调压阀；可伸缩式出水段；阀后稳压箱；回水管道。可伸缩式出水段伸入阀后稳压箱内长度为3R₂。

上述的可伸缩式出水段主要包括：钢管段、可伸缩式橡皮管道和顶紧装置；

上述的可伸缩式橡皮管道包围在钢管段外面；

上述的可伸缩式出水段临近回水段调压阀一端，回水段调压阀下游侧法兰与钢管段上游侧法兰，可伸缩式橡皮管道的止水橡皮套通过螺栓固定在一起；

上述的可伸缩式出水段临近阀后稳压箱一端，可伸缩式橡皮管道的止水橡皮套外侧通过法兰与阀后稳压箱的上游侧外壁固定在一起；可伸缩式橡皮管道止水像皮套的直径大于阀后稳压箱上的圆孔，并将其包裹在内；

上述的钢管段通过阀后稳压箱壁的圆孔伸入阀后稳压箱内；阀后稳压箱内部设置顶紧装置，用于固定钢管段。

本发明的换阀过程为：(1)松开试验阀门上下游法兰；(2)松开阀后稳压箱回水段顶紧装置；(3)将钢管段向阀后稳压箱内伸入空开试验阀门上下游空间；(4)置换试验用阀，根据新阀的试验用阀长度尺寸调整钢管段伸入阀后稳压箱内的长度；(5)安装试验阀门上下游法兰；(6)锁紧阀后稳压箱回水段顶紧装置。

阀后稳压箱的主要作用是稳定阀后压力，其主要尺寸包括：并行管道间距D≥3R₂，阀后稳压箱长度L≥6R₂+3R₂，阀后稳压箱高度H≥4R₂；阀后稳压箱宽度M＝nR₂+(n-1)×3R₂+2R₂＝(4n-1)R₂，n为并列阀门数。这样设置才能保证多阀出流射流间不存在直接的相互作用，不会对试验段压力造成明显影响。回水管道半径

保证泄流能力。

本发明的有益效果在于：

1)多泵驱动设计，可为阀门试验提供更多试验工况条件，例如空化试验所需的高压降、大流量条件。

2)供水系统所设置的调压室，可以有效地对压力、流速和流量进行均化，为阀门试验工作段提供一个更为稳定、精确的试验条件。

3)采用并列多线阀门试验段设计，便于同时进行多阀试验，可成倍缩减试验时间成本，显著提高试验效率。

4)试验阀门后增设透明观察段，便于观察试验阀门后的水流流态及空化现象。

5)阀后出水段管道采用可伸缩式设计，可以极大地简化试验阀门安装步骤。

附图说明

图1是本发明阀门试验装置三泵三阀布置的侧视示意图；

图2是本发明阀门试验装置三泵三阀布置的俯视示意图；

图3是本发明阀门试验装置五泵五阀布置的俯视示意图；

图4是本发明本发明阀门试验装置透明观察段空化现象示意图；

图5本发明本发明阀门试验装置多阀同工况实时试验成果对比示意图；

图6是本发明本发明阀门试验装置可伸缩式出水段侧视示意图；

图7是本发明本发明阀门试验装置可伸缩式出水段A-A剖面示意图；

图8是图6中M1位置的局部放大示意图；

图9是图6中M2位置的局部放大示意图；

图10是法兰片F3示意图。

具体实施方式

实施例一

以三泵三阀为例，本发明的具体布置同图1和2。试验装置主要包括：供水段、试验段和回水段。

供水段主要包括：离心泵1；循环水库2；调流阀3；阀前稳压箱4。

所述的离心泵为3个，为380v电机驱动。其中，离心泵扬程需≥150m水头；调流阀3的内半径R₁＝150mm。循环水库容量＞试验系统满载容量+富裕水深容量(富裕水深1m)＝16m3+16m3＝32m3(循环水库长×宽×高＝4m×4m×2m)；调流阀控制精度为0.01Mpa；阀前稳压箱的控制参数为：阀门间距D＝2R₁＝300mm；阀前稳压箱长度L＝6R₁＝900mm；阀前稳压箱高度H≥5R₁＝750mm；阀前稳压箱的宽度与阀后稳压箱宽度一致。稳压箱中部设隔板5，隔板高500mm；隔板下部为消能格栅6，同时在阀前稳压箱的进出水段均加设相同的消能格栅，格栅的尺寸为：栅条厚度d＝30mm，栅条间隙s＝20mm，栅条厚度与宽度相同。

试验段主要包括：试验段调压阀71；阀前整流段8；电磁流量计9；电子压力表10；试验阀门11；透明观察段12，试验段调压阀内半径为R₂＝150mm。其中，调压阀精度需达到0.01Mpa以上；阀前整流段长度L≥6R₂＝900mm；玻璃管壁厚度需按下式计算，才能保证试验安全：

σ_θmax为最大周向应力；n为安全系数，一般取3；P_i为管道内压(试验最高压力为150m水头)；k＝R_o/R_i，R_o为管道外半径，R_i为管道内半径＝0.5R₂＝75mm，P_c为有机玻璃的许用应力(55MPa)。

计算得到玻璃管壁后＞8mm即可，考虑一定的富裕度，厚度取为10mm。通过透明观察段，可以清晰地观察到阀后流态及空化现象，如图4所示。并列试验段结合数据采集系统，可实时对比多线试验结果，如图5所示。

回水段主要包括：回水段调压阀72；可伸缩式出水段；阀后稳压箱16；回水管道17；

由图6可见：上述的可伸缩式出水段主要包括三大部分：钢管段13；可伸缩橡皮管道14和顶紧装置15；

上述的可伸缩式橡皮管道14包围在钢管段13外面；

如图8所示，上述的可伸缩式出水段临近回水段调压阀72一端，回水段调压阀72下游侧法兰F1与钢管段13上游侧法兰F2，可伸缩式橡皮管道14的止水橡皮套通过螺栓固定在一起；上述的法兰F2为带螺帽的法兰；

如图9所示，上述的可伸缩式出水段临近阀后稳压箱16一端，可伸缩式橡皮管道14的止水橡皮套外侧通过法兰F3与阀后稳压箱16的上游侧外壁固定在一起；可伸缩式橡皮管道14止水像皮套的直径大于阀后稳压箱16上的圆孔，并将其包裹在内；

由图6图7所示，上述的钢管段13通过阀后稳压箱16壁的圆孔伸入阀后稳压箱16内；阀后稳压箱16内部设置顶紧装置15，用于固定钢管段13。

3R₂±50cm。

钢管段13伸入稳压箱内长度为3R₂＝450mm。阀后稳压箱的主要尺寸有：并行管道间距D≥3R₂＝450mm，阀后稳压箱长度L≥9R₂＝1350mm，阀后稳压箱高度H≥4R₂＝600mm；阀后稳压箱宽度M＝(4×3-1)R₂＝1650mm(阀前稳压箱宽度相同)。回水管道内径

实施例二

以五泵五阀为例，本发明的具体布置同图1和3。试验装置主要包括：供水段、试验段和回水段三大部分。

供水段主要包括：离心泵1；循环水库2；调流阀3；阀前稳压箱4。所述的离心泵为5个，为380v电机驱动。其中，离心泵扬程需≥150m水头；调流阀3的内半径R₁＝150mm。循环水库容量＞试验系统满载容量+富裕水深容量(富裕水深1m)＝22m³+16m³＝38m³(循环水库长×宽×高＝4m×4m×2.6m)；调流阀控制精度为0.01Mpa；阀前稳压箱的控制参数为：阀门间距D＝2R₁＝300mm；阀前稳压箱长度L＝6R₁＝900mm；阀前稳压箱高度H≥5R₁＝750mm；阀前稳压箱的宽度由阀后稳压箱宽度决定。稳压箱中部设隔板5，隔板高500mm；隔板下部为消能格栅6，同时在阀前稳压箱的进出水段均加设相同的消能格栅，格栅的尺寸为：栅条厚度d＝30mm，栅条间隙s＝20mm，栅条厚度与宽度相同。

试验段主要包括：试验段调压阀71；阀前整流段8；电磁流量计9；电子压力表10；试验阀门11；透明观察段12，试验段调压阀内半径为R₂＝150mm。其中，调压阀精度需达到0.01Mpa以上；阀前整流段长度L≥6R₂＝900mm；玻璃管壁厚度需按下式计算，才能保证试验安全：

σ_θmax为最大周向应力；n为安全系数，一般取3；P_i为管道内压(试验最高压力为150m水头)；k＝R_o/R_i，R_o为管道外半径，R_i为管道内半径＝75mm，P_c为有机玻璃的许用应力(55MPa)。

计算得到玻璃管壁后＞8mm即可，考虑一定的富裕度，厚度取为10mm。

回水段主要包括：回水段调压阀72；可伸缩式出水段(钢管段13；可伸缩橡皮管道14；顶紧装置15)；阀后稳压箱16；回水管道17。可伸缩式出水段伸入稳压箱内长度3R₂＝450mm。阀后稳压箱的关键设置有：并行管道间距D≥3R₂＝450mm，阀后稳压箱长度L≥9R₂＝1350mm，阀后稳压箱高度H≥4R₂＝600mm；阀后稳压箱宽度M＝(5×4-1)R₂＝2850mm。回水管道内半径

根据试验实际情况的不同，本发明还可以有其它实施方案，适用于多种流体、多种阀门试验，只要阀门试验装置采取了多泵、并列多线设计，在阀门前后设置了稳压箱的均在本发明要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种多功能阀门水力特性及空化性能试验装置，其特征在于：包括：供水段、试验段和回水段；

所述的供水段包括：离心泵；循环水库；调流阀；阀前稳压箱；

所述的离心泵扬程≥150m水头；

所述的循环水库容量＞试验系统满载容量+富裕水深容量；

所述的调流阀控制精度为0.01Mpa，调流阀内径为R₁；

所述的阀前稳压箱的长度L＝6R₁，阀前稳压箱高度H≥5R₁；

所述的阀前稳压箱中部设有隔板，隔板高500mm；将阀前稳压箱上半部利用钢板分为前后两部分，在钢板下部为消能格栅，同时在阀前稳压箱上下部分割处，设置水平的消能格栅，栅条厚度d与栅条间隙s的关系为s＝2d/3，格栅的尺寸为：栅条厚度d＝30mm，栅条间隙s＝20mm，栅条沿水流方向宽度与厚度相等；

所述的试验段包括：试验段调压阀；阀前整流段；电磁流量计；电子压力表；试验阀门；透明观察段；所述的试验段调压阀内半径为R₂；

所述的阀前整流段长度L≥6R₂；

所述的透明观察段采用有机玻璃制作，有机玻璃管壁厚度按下式计算：

σ_θmax为最大周向应力；n为安全系数，取3；P_i为管道内最高压力；k＝R_o/R_i，R_o为管道外半径，R_i为管道内半径，P_c为材料的容许应力；

所述的回水段包括：出水段调压阀；可伸缩式出水段；阀后稳压箱；回水管道；可伸缩式出水段伸入阀后稳压箱内长度为3R₂±50cm；

所述的可伸缩式出水段包括：钢管段、可伸缩式橡皮管道和顶紧装置。

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