一种孔板螺旋流管道消能装置的消能效率探究

蔡微微

通海县水利局 ，云南省玉溪市 652700

[摘要]现有的有压输水管道的消能方式多样，随着国内外对孔板消能工和螺旋流的消能研究，布置于管路系统内部的消能装置得到广泛青睐和应用。本文针对一种孔板螺旋流消能装置的消能机理、结构形式、孔板材料等进行简要分析，通过试验探究该装置在叠加孔口消能和螺旋流消能两种消能方式的情况下，不同的孔板间距、孔板与管轴线倾角、孔板扭转角这三个参数对消能效率的影响以及最佳消能效率对应取值范围。

[关键词] 孔板消能；螺旋流；消能装置；消能效率

1项目背景

随着工业化和城市化进程加快，人均需水量日益增加，区域性缺水越来越突出，跨流域调水和区域调水已经成为解决缺水现状的重要途径之一。有压输水系统现已广泛应用于水利工程之中,但因地形地貌或其他条件限制，有压输水管道压力水头在完成输水任务后仍有大部分能量剩余，若不消除，将会给管路系统设施及下游安全造成影响甚至带来危害。现有的消能方式在实际应用中主要存在以下问题：一是影响输水流量；二是消能过程中管道易发生振动；三是成本高，操作不便。

结合国内外对孔板消能工和螺旋流的研究及成果，本文将着力探究一种安装在管路系统中的孔板螺旋流消能装置，叠加孔口消能和螺旋流消能两种消能方式，提高系统的消能效率。

2孔板螺旋流消能装置结构

将图1中孔板3，4，5分别间隔相同距离，通过法兰2（图3）以一定的倾角α安装在输水管道1中，孔板3，4，5为同等大小的椭圆形板且均设有两个相同圆形固定孔6，4个相同的圆形扭转孔7，如图2 所示。3片孔板绕管轴线依次向同一方向扭转相同角度β，形成由各片孔板组合而成的螺旋孔，水流在孔板前后形成一定压差，扭转角β越大，形成螺旋流的强度也越大。该消能装置既能使水流产生孔口消能的效果，又可形成螺旋流而消能，同时也兼顾形式简单，易于操作，经济实用等优势。

孔板呈倾斜放置，一方面是考虑到管道内安装布置条件和安装工艺限制，本着控制制作成本、经济实用等原则，孔板体积不宜过大；另一方便倾斜放置可增大水流与孔板接触面积，从而使过流面积增大，以此来平衡消能效果与输水流量的反比关系，保障管道输水流量。橡胶孔板单位面积承受的水流压力减少，对装置能起到一定的保护作用，也使管道振动得到一定程度的缓解，相较于垂直管轴线的设置方式有更好的水利条件。

图
1

图
2

图
3

2.1孔板材料的选取

经过对多种材料的抗压、抗冲对比和减震、密封性能测试，丁苯橡胶制作的橡胶孔板具有较好的耐磨耐冲击能力和减震、密封等性能，可一定程度上保护相关管道设备并延长其使用寿命。

3试验方案设计

3.1试验装置

试验设备主要由水泵、供水管路、试验管路、电容式压力变送器和电容式差压变送器、地下水库等组成。试验装置布置如图4所示。

图
4

试验管道为有机玻璃，长约10m，管路内径0.1m，管壁厚0.005m，消能装置安设于距进水口3m处。消能装置前断面为前测压点，后断面为后测压点，通过计算消能装置前、后压力差与消能装置前断面的压力比值可得消能效率。

3.2消能装置及结构参数

孔板由丁苯橡胶板加工而成，厚度0.01m，由法兰片固定于管路上并与管路轴线形成一定倾角α，因孔板在管路中以一定倾角放置，孔板断面形状多为椭圆，孔板面积随倾角α而变。固定孔6对称设置于长轴线两端位置，孔径0.02m，孔板1的扭转孔7对称分布于长、短轴上，孔板2、3的扭转孔7依次向同一方向扭转相同角度β，孔径均为0.02m。

3.3试验方案设计

本试验采用单因子变量方法研究在不同的孔板间距、倾角α以及扭转角度β情况下，最佳消能效率（消能装置前、后压力差与消能装置前断面的压力比值）对应的取值范围。

3.3.1工况一

取孔板间距0.03m，扭转角β20°，倾角α选取10°，20°，30°，40°，50°，60°。

图 5

由图5分析可知，当孔板间距、扭转角β一定时，消能效率随倾角α的增大而减小，在20°~30°倾角范围内，消能效率较高。

3.3.2工况二

取倾角α为25°，扭转角β为20°，孔板间距选取0.00m，0.03m，0.05m，0.08m，0.10m。

图
6

由图6分析可知，当倾角α、扭转角β一定时，孔板间距在0.03m左右，消能效率达到最高。

3.3.3工况三

取
倾角α为25°，孔板间距0.03m，扭转角β选取15°，20°，25°，30°，35°。

图7

由上图分析可知，当倾角α、孔板间距一定时，扭转角β在20°~30°区间内，消能效率较高。

4结论

通过单因子变量探究，对橡胶孔板螺旋流消能装置在不同孔板间距、不同倾斜角度α、和不同扭转角度β的情况下测试，对消能效率进行比较分析，得出如下结论：

1.孔板螺旋流管道消能装置能叠加孔口消能和螺旋流消能两种消能方式，较单一功能的消能装置，其消能效率得到明显提升，且孔板螺旋流管道消能装置在经济性、实用性、保障输水流量、缓解振动等方面具有突出优势。

2.孔板间距、倾角α以及扭转角度β对孔板螺旋流消能装置的消能效率有较大影响，对于本试验装置而言，孔板间距在0.03m附近，倾斜角度α为20°-30°范围內，扭转角β在20°-30°区间內消能效率达到最高。

3.单因子变量试验过于理想化，但实际工程应用中消能效果常常受到多因子复合影响，因各项条件限制，难以探究该消能装置在实际工程应用中的可行性，故试验所得规律不具有普适性，该项探究还需围绕实际工程应用进一步探索、完善。

参考文献：

[1] 张杰.孔板螺旋流消能装置效果试验研究[D]. 太原理工大学硕士学位论文，2006.

[2] 延耀兴，张杰，毛慧慧. 螺旋流消能装置消能效果试验研究[J]. 科技情报开发与经济，2005.23:172-174.

[3] 郭晓宇.多级孔板螺旋流消能装置试验研究[D]. 太原理工大学硕士学位论文，2008.

[4] 蔡微微. 一种橡胶孔板螺旋流管道消能装置:中国,CN210219033U.[P].2020-03-31.