錐形閥的結構及工作原理

 （1）概述

安裝在壓力管道出口處、具有錐形出流段的閥門稱為錐形閥。

錐形閥通常作為水輪發電機組自由排放的旁通閥，或用于連續排放及流量控制。由于采用了倒置錐形柱塞閥芯而得名，簡稱錐形閥，又因其具有優異的消能效果，故又稱消能閥。因常用于農田灌溉，又稱為灌溉閥。錐形閥除了在流道終端設置有錐形閥芯之 外，所有運動部件全部設置在閥門的過流通道外部， 使得閥體內部流道通常順滑，流量大而壓降損耗少， 其在整個工作范圍內不會產生汽蝕及振動，在小流量時仍具有良好的流量控制效果。

（2）分類

錐形閥有兩種結構形式，排放型和管中型。

①排放型錐形閥（圖23-62）由一個固定的錐體（由6片經過特殊設計的筋板支撐）和一個可移動的不銹鋼套管組成。流量的控制通過不銹鋼套管前后移動來實現，套管和錐體之間設有兩層密封（主密封為金屬密封，次密封為橡膠軟密封，實現零泄漏）。

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

如果現場情況要求抑制水流的沖擊范圍，可加裝導流罩（此時為防止出流水回流需加裝兩條補氣管）， 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試和現場安裝整閥實測，在運行期間均無明顯的振動。在承壓承流范圍內，均能保證無汽蝕現象的產生。出水水流只會在出口部件邊緣斷裂，不會產生局部氣泡導致閥體振動。 閥門在運行行程中，無論是否安裝導流罩，其排放系 數和閥門開度均呈線性比例關系。

排放型錐形閥具有下列優點：

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

b.結構簡單，重量輕，所有傳動部件均設置在閥體之外，一目了然，便于維護檢修。

c.啟閉力小，操作輕便，可適用于無電源的中小形水利工程場所，可設置電、氣、液動操作啟閉機構，輕松實現遙控或無人值守自動運行。

d.泄流時噴出水舌為喇叭狀，空中擴散摻氣， 消能效果好，簡單消能池或不用做消能措施，如設置為淹沒式出流，則水下的消能亦很簡單。

e.流體通過內部6條導流翼進行均勻分割，不會產生漩渦和振動。

f.其閥門的啟閉或流量控制則由外部套管的上 下移動來帶動錐形閥芯的動作實現控制，套筒與閥體之間通過導向環和0形圈實現導向和密封，使閥的 流量系數與閥開度具備一定的比例關系。

g.針對不同狀況和壓力的流體介質，可以設置金屬硬密封和氟塑料軟密封。采用高強度合金不銹鋼耐磨閥座設計的復合密封結構兼具金屬對金屬硬密封 和軟密封的特性。

h.可限制發散角度，使流體分解為稀薄噴淋形態或環狀對流達到沖擊抵消的目的，同時適應不同現場的需求。

i.根據閥門水平線與中軸線的夾角大小，以180°水平安裝zui為常見，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系， 如布置不妥，將因射流引起對建筑物的沖刷或形成的霧氣給電站的運行帶來麻煩，以及放水時引起的顯著振動，因此，布置形式必須慎重考慮，建議根據地貌和實際情況，主要從出口方式、安裝方式和發散方式三個方面入手，合理安排錐形閥的布置。

a.出口方式的選擇。淹沒式——適合水頭較低的溝渠等灌溉或飲用水系統，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、陡峭山體場合。

b.安裝方式的選擇。水平安裝——適合于消能池較薄弱、但場地寬廣、周圍無建筑物。垂直安裝——適合場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.發散形式選擇。自由發散型在空氣中自由發散，根據水頭大小形成不同范圍的發散區域。限制發散型——利用導流罩有效控制錐形閥的出口發散程度，用于水頭高，出口狹小，涉及建筑物或其他設施等；用戶應根據設計消能池或泄洪渠的具體尺寸選擇合適的導流罩。

②管中型固定錐形閥圖23-63為管中型固定錐形閥的結構圖。管中型錐形閥主要由閥體、噴管、 套筒閘、錐體、浮動閥座、速度導流器、能量導流器 （按需要配備）、驅動機構等組成。

管中型固定錐形閥特點如下：

a.具有開啟度-流量系數的線性特性；

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

c.振動小，當閥門開啟度小于10%，也不會振動；

d.浮動閥座及金屬密封設計，保證了密封效果， 延長了閥門的使用壽命；

e.低流阻損失，可再較低壓差下，滿足流量控制的要求；

f.驅動機構位于閥體外部，操作力矩小，維護容易；

g.閥門抗阻塞能力強。

管中型固定錐形閥抗汽蝕機理如圖23-64所示。 當水流經過閥座與套筒閘進入氣泡形成區時，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，氣泡隨水流進入能量導流器前的爆炸區時，水流速急劇變換，且能量導流器的阻力 作用使壓力升髙、氣泡破裂，含較少氣泡的水大部分流經導流器進入下游管道，避免汽蝕對下游管道的破壞。較小部分水流回流至速度導流器外圍，被氣泡形成區的低壓水流，通過速度導流器的小孔吸人導流器內部，形成保護速度導流器表面環狀水流，同時保護閥體免受汽蝕破壞。