對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒式調流閥特性是使流量隨開度y線性變化，這時關閉調流閥引起的水擊壓力升高最小。本文推導得到理想調流閥無量綱閥門流量系數S與開度y和管路特性之間的解析計算公式，計算研究了理想調流閥水擊控制的效果，提出了具體的實施方法。

　　多噴孔套筒式調流閥的誕生已經有40年的歷史(Miller，1969;Burg，1977)，目前在輸水工程中獲得廣泛應用。

　　多噴孔套筒式調流閥有如下優點：(1)可以在高壓差環境下，長期無氣蝕運行;(2)可以全程(由全開到全關)調流調壓，調流精度高，一般為過流量的±0.5%;(3)無危害性噪音和振動，用于清水時，可以長期無故障運行，使用壽命長達30～50年;(4)可以采用電力、液壓等多種方式驅動，既可以現場操作，也可以遠方控制;(5)消能、減壓范圍廣，能適應上游水頭的不斷變化。

　　現有多噴孔套筒式調流閥無量綱閥門流量系數S和開度y特性曲線是線性的，或者上凸的，最新的研究表明，對中高水頭、長距離、大流量管道輸水工程，現有調流閥特性的設計存在水擊過程控制困難的問題，其原因是在大開度時，流量隨開度y的減小改變不大，使得流量的改變集中在小開度，導致水擊壓力過大，或者關閉時間太長而無法實施。為此，2009年筆者針對一個實際工程研究了適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥，并被工程設計采用。

　　現在的問題是，應該依據什么設計適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥?設計原理、方法、性能如何評估?

　　對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒式調流閥，簡稱為理想調流閥，特性是使流量隨開度y線性變化，這時關閉閥門時的水壓與關閉時間成正比，在相同的線性關閉時間，調流閥引起的水擊壓力升高最小。

　　本文將首先研究理想調流閥設計原理，然后通過計算研究理想調流閥水擊控制的效果。

1、理想調流閥設計原理

　　調流閥進出口水頭損失可描述為

　　式中，ΔH為調流閥的水頭損失;Q為通過調流閥的水流流速;A為截面積;ζ為閥門局部阻力系數;g為重力加速度。

　　式(1)可以改寫為

　　式中，ΔHr為調流閥全開，即y=1.0時的調流閥的水頭損失，其中下標r表示調流閥全開;q=Q/Qr

　　為無量綱閥門流量系數。

　　圖1為輸水工程示意圖。

圖1 輸水工程示意(高程單位：m)

　　參考圖1，管道上游水池與下游水庫的伯努利能量方程為

　　式中，z1為上游水池水面高程;z2為下游水庫水面高程;S為管道阻抗系數。上式右邊第三項表示線路水頭損失。

　　將式(2)代入得

　　式中，Δz=z1-z2。

　　由于閥門全開時 τ =1和Q=Qr，從式(4)可得

　　當假設流量Q隨閥門開度y線性變化時，有

　　將式(5)和式(6)關系代入式(4)可得

　　整理得

　　式(7)就是理想水擊控制調流閥τ與y的關系。換句話說，只要滿足式(7)條件，流量就隨閥門開度線性變化。圖2示出了理想調流閥無量綱閥門流量系數S與閥門開度y的關系曲線。顯然，理想調流閥特性曲線是下凹型。

圖2 理想調流閥特性曲線

　　由

　　可得

　　需要說明，上面的分析是基于恒定流動，沒有考慮管道水擊的影響。下面以一個工程實例分析水擊的影響。

2、理想調流閥水擊控制效果

圖3 引黃北干線倒虹線路管道高程

　　山西省引黃北干線倒虹線路如圖3所示，依靠重力輸水。倒虹進口樁號為43755.64，管道中心高程為1242.80m。設置在線式多噴孔套筒式調流閥1，按2臺工作1臺備用考慮，單閥過流量按4.2m3/s設計，樁號為56520m，管道中心高程為1115.4m。倒虹出口處樁號為118 009.67，管道中心高程為1117.5m，設置球型閥2，后接水庫，水庫設計水位為1118.8m。線路全長74.25km，采用內徑2.2m的PCCP輸水。

　　計算條件：倒虹吸管進口水位1247.3m，出口水庫水位1118.8m;管道糙率n=0.012;調流閥采用線性關閉。

　　初始條件：在線調流閥1和球型閥2全開，相對開度y=1.0，流量8.4m3/s。研究表明，采用原來廠家提供的多噴孔套筒式調流閥，即使調流閥線性關閉時間為1500s，閥前水壓也高達149m水頭，見圖4，其中球型閥開度保持不變。

圖4 原廠家調流閥關閉水擊過渡過程

　　當用理想控制調流閥代替原來的調流閥，將本工程參數Δz=128.5m、ΔHr=4.9m代入式(7)得

　　據此可繪出如圖5所示理想調流閥特性曲線。當理想調流閥線性關閉時間分別為200s、400s，則采用水擊特征線方法計算(楊開林，2000)可得圖6、圖7所示水擊過渡過程曲線，y1和q1分別是調流閥的相對開度和流量。

圖5 理想水擊控制調流閥特性曲線

圖6 理想調流閥關閉過渡過程

　　從圖6和圖7可得下述結論：(1)受水擊壓力的作用，流量與閥門開度近似成線性關系;(2)閥前水壓隨關閉時間的增加顯著減小;(3)在同樣的閥前水壓條件下，采用理想調流閥可以顯著縮短線性關閉時間。比較圖4和圖6，雖然理想調流閥線性關閉時間由原來廠家調流閥的1500s減少到200s，但是兩者閥前水壓幾乎相同。

3、適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥設計

　　綜上所述，理想調流閥改善管道水擊控制效果非常顯著。同時需要指出的是，由于理想調流閥流量與開度是線性正比關系，所以它也可以提高正常輸水流量控制的精度。

圖7 理想調流閥關閉過渡過程

　　在理論上，制造廠可以通過設計閥標稱直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規律生產出理想調流閥，但是，在高水頭、大流量條件下，可能會大大增加調流閥閥體尺寸和生產成本。在這種情況下，可以采用折衷的辦法，生產實用的適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥。其原則是：無量綱閥門流量系數S與閥門開度y特性曲線必須是下凹曲線或者折線，一般說來，設計的S與y曲線越接近理想調流閥越好。

4、結語

　　對于管道水擊，理想的水擊控制多噴孔套筒式調流閥特性是使流量隨開度y線性變化，這時關閉閥門時的水壓與關閉時間成正比，在相同的線性關閉時間，調流閥引起的水擊壓力升高最小。

　　本文解析推導得到設計理想調流閥無量綱閥門流量系數S與閥門開度y的計算公式，證明理想調流閥特性曲線是下凹形。理想調流閥不僅能夠顯著提高管道水擊控制效果，而且可以提高正常輸水流量控制的精度。

　　制造廠可以通過設計閥標稱直徑以及閥體上噴孔的大小及沿周向和軸向的分布規律生成理想調流閥，也可以采用折衷的辦法，生產實用的適應水擊控制的多噴孔套筒式調流閥。其原則是：無量綱閥門流量系數S與閥門開度y特性曲線必須是下凹曲線或者折線，一般說來，設計的S與y曲線越接近理想調流閥越好。