[发明专利]一种变流道防水锤空气阀和设计方法

说明书

本发明涉及一种变流道防水锤空气阀和设计方法，包括顶部设有进排气口的阀体，进排气口的下方为球阀座和浮球，阀体设有至少一个能够向内开启的旋启式止回阀，旋启式止回阀包括：与阀体铰链连接的旋启式阀瓣，由旋启式阀瓣控制开闭的可变流道进气口，限制旋启式阀瓣开启度的设施，密封设施。本发明利用进气时空气阀通过进排气口和可变流道进气，而排气时仅通过进排气口进行排气，改变进排气流道面积，进而实现了快速进气和缓慢排气，避免了排气过程强三维特征造成的节流环受力、关闭过程不确定性问题，也解决了弹簧作用力的不稳定性问题。所述的空气阀可以根据数值仿真结果设置任意的入流面积和出流面积，便捷地达到设计要求。

技术领域

本发明涉及一种变流道防水锤空气阀和设计方法，是一种管道系统的水锤防护设备和使用方法以及设计这种防护设备的方法，是一种长距离引调水或城镇供排水等工程压力输水管道的水力过渡过程防护的设备和方法。

背景技术

时空分布不均或资源性短缺是我国的水资源现状以及部分地区经济社会发展的掣肘，长距离引调水工程是优化水资源配置最常见的工程措施。引调水工程通常采用明渠、管道、隧洞、箱涵等进行输配水，其中，管道输水受外界干扰小、占地少、且能适应复杂地形、地貌和气候条件，应用更为广泛。

在使用管道进行输水时，由于边界条件改变、运行工况切换、发生事故或应急工况，水流流速变化引起系统压力波动，发出类似锤击管道的声音，称之为水锤或水击现象。在不采取工程防护措施的情况下，管道水锤可产生数百米的瞬态高压，发生管道爆裂；也可能产生真空汽化，管道被压瘪或水柱弥合产生的瞬态高压使管道破裂。

空气阀是常见的管道防护设备之一，它的作用是，①在系统首次充水或停运检修后再次启动时，排出管道内的空气。②出现水锤负压时打开，使空气快速进入管道，避免管道被压瘪或出现真空汽化；管道压力高于大气压时，排出为防止负压而吸入管道内的气体。③排出管道正常运行时析出的气体，以免滞留气囊增加水流阻力，影响输水效率，进而增加运行成本。负压吸气时，要求空气能够快速地进入管道，削减负压；正压排气时，则要求气体相对较慢地排出管道。如果吸气较慢，则可能无法有效抑制负压；如果排气较快，则继发的弥合水锤可能会产生极大的压力波动，破坏管道、空气阀或其他机电设备。因此，理想的空气阀应能够快速进气和缓慢排气。

对于空气阀，实现快速进气和缓慢排气有两种途径：①通过合理的流道设计，使进气和排气过程具有不同的流量系数，即C_in＞C_out。刘梅清等(2004)在其研究中指出，只有C_in/C_out＞10，空气阀的水锤防护作用才较为明显；Carlosetal.(2011)、郭永鑫等(2018)在其研究中也表明了较小的排气流量系数C_out对防护水柱分离再弥合水锤是有利的。但通过流道设计使进排气流量系数产生十多倍的差距，是很难实现的。②使空气阀的进排气过程具有不同的流道面积。刘志勇和刘梅清(2009)针对典型工程给出了(C_inA_in)/(C_outA_out)＝101的空气阀配置方案，王玲和王福军(2017)指出A_in/A_out＝10的进气微排阀对于空管充水过程中水柱分离及再弥合高压水锤的防护最为有效。进排气具有不同的流道面积，可以分别设置一个大口径进气阀和一个小口径排气阀，也可以通过设置一个进排气流道自动切换的空气阀实现。其中，第二种方式更为常用。