近年來，隨著水輪機(jī)閘門設(shè)計、制造和運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展，水輪機(jī)圓筒閥應(yīng)運(yùn)而生，它是布置在水輪機(jī)固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉之間的圓筒形閥門。圓筒閥結(jié)構(gòu)的不斷完善和在各種水輪機(jī)中的應(yīng)用實(shí)踐，它顯示出諸多明顯的優(yōu)越性。此外，我國含砂河流較多，水輪機(jī)泥砂磨損問題突出，應(yīng)用圓筒閥可以較好地解決這類問題。國內(nèi)許多電站都要求采用此項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。因此，圓筒閥的開發(fā)研制及模型試驗(yàn)具有極其重要的作用。

上世紀(jì)末期，大電機(jī)研究所已對模型圓筒閥裝置結(jié)構(gòu)以及水力性能進(jìn)行了研究。主要采用馬達(dá)驅(qū)動和接力器驅(qū)動實(shí)現(xiàn)圓筒閥開啟和關(guān)閉，通過在絲杠上粘貼應(yīng)變片，測量圓筒閥在不同位置和導(dǎo)葉開度下的軸向操作力。本文在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將模型裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，通過測量圓筒閥所受的壓力，得到了一種新的研究圓筒閥水力性能的試驗(yàn)方法。

1模型裝置的設(shè)計

1.1提升機(jī)構(gòu)

圓筒閥的開啟和關(guān)閉通過一部電機(jī)帶動四部升降機(jī)同步升降，拉動四根操作桿帶動圓筒閥同步升降，其中四個連接桿下部與圓筒閥固定，從頂蓋和相鄰的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)連桿轉(zhuǎn)臂之間穿出，如圖1所示。

1.2模型裝置及筒閥閥體模型

試驗(yàn)裝置為某在建水電項(xiàng)目模型裝置，模型轉(zhuǎn)輪直徑420mm。圓筒閥閥體模型內(nèi)徑(Φ540mm，外徑 Φ556mm，高76.68mm，，壁厚8mm。

1.3傳感器布置

試驗(yàn)采用美國PCB公司生產(chǎn)動靜態(tài)絕壓傳感器進(jìn)行壓力測量，在模型裝置上布置5組共10個傳感器，每組都是1 80度對稱分布，每組傳感器分別測量筒閥下端面PB、上端面外延PC、上端面PD、內(nèi)壁PE和外壁PF的壓力，傳感器的分布如圖2所示。

1.4密封結(jié)構(gòu)

由于是通過壓力的測量來分析圓筒閥的受力，筒閥密封結(jié)構(gòu)決定了試驗(yàn)的成敗。在圓筒閥與座環(huán)、頂蓋以及傳感器座之間裝設(shè)密封。筒閥與座環(huán)之間的密封采用壓板把橡膠密封環(huán)壓在底環(huán)凹槽中，筒閥與頂蓋之間的密封采用成型橡膠環(huán)并用壓板壓在頂蓋上，筒閥與傳感器座之間的密封也采用成型橡膠環(huán)并用壓板壓在筒閥上。

1.5行程控制

整套裝置由一組上升和下降按鈕控制，圓筒閥全開與全關(guān)分別對應(yīng)筒閥下端面與頂蓋下端面、座環(huán)下端面平齊。整個上下行程通過編碼器和計數(shù)器進(jìn)行監(jiān)測，試驗(yàn)前對計數(shù)器進(jìn)行標(biāo)定，得到圓筒閥開啟程度和計數(shù)器的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

2 圓筒閥模型試驗(yàn)原理和試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)原理

通過同步提升機(jī)構(gòu)控制圓筒閥的開啟和關(guān)閉，計數(shù)器控制圓筒閥開啟和關(guān)閉的位置，壓力傳感器測得不同筒閥位置和導(dǎo)葉開度下的筒閥受力。每組測點(diǎn)的測力桿其下部與圓筒閥固定，測力桿的上端與測力傳感器連接，傳感器電信號輸出引線至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖4所示。通過PB、PC和PD處受力，得到圓筒閥的軸向受力；通過PE和PF處受力，得到圓筒閥徑向受力。

2.2試驗(yàn)方案

針對某電站的額定水頭和最大水頭所對應(yīng)的兩個不同的單位轉(zhuǎn)速，在覆蓋該電站的整個運(yùn)行范圍的導(dǎo)葉開度A0=6mm，10mm，14mm，18mm，22mm，26mm和30mm，在圓筒閥開度為100%，80%，60%，40%，20%，10%，8%，6%，4%和2%（100%為圓筒閥全開位置）時，進(jìn)行下列內(nèi)容的試驗(yàn)研究：

通過圓筒閥上、下端面受力分析，計算出圓筒閥的軸向拉力及變化趨勢。

通過圓筒閥內(nèi)、外壁受力分析，計算圓筒閥的徑向受力情況。

筒閥與導(dǎo)葉關(guān)閉，對水輪機(jī)效率和流量的影響。

通過尾水管的動態(tài)壓力傳感器，分析在正常工況與飛逸工況下，尾水管壓力脈動情況。

3模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 圓筒閥軸向拉力

圓筒閥的軸向拉力系數(shù)定義為：

圖5為對應(yīng)某電站原型機(jī)最大水頭的單位轉(zhuǎn)速時，在不同導(dǎo)葉開度和不同圓筒閥開度下，圓筒閥軸向拉力試驗(yàn)結(jié)果。左圖為定導(dǎo)葉開度，筒閥開度與軸向拉力的變化規(guī)律；右圖為定筒閥開度，導(dǎo)葉開度與軸向拉力的變化規(guī)律。從圖中可以看出，在不同導(dǎo)葉開度下，隨著筒閥的關(guān)閉，軸向拉力的變化規(guī)律是一致，都是隨著筒閥的關(guān)閉，軸向拉力逐漸增加，在8%～10%筒閥開度范圍內(nèi)出現(xiàn)極值；隨著筒閥開度的進(jìn)一步減小，軸向拉力也隨之減小。

圖6分別列出了不同導(dǎo)葉開度下，對應(yīng)某電站原型機(jī)最下水頭、額定水頭以及飛逸三個不同工況下的圓筒閥開度與軸向拉力的比較曲線�？梢钥闯觯嗤瑢�(dǎo)葉開度和不同運(yùn)行工況下，圓筒閥軸向拉力隨筒閥關(guān)閉規(guī)律是一致的，能量狀態(tài)下的筒閥拉力大小基本上是一樣的，而飛逸工況的圓筒閥拉力略小于能量狀態(tài)。

3.2圓筒閥徑向受力

通過布置在圓筒閥內(nèi)壁和外壁的壓力傳感器，能得到筒閥內(nèi)、外壁所受的徑向力。圖7為圓筒閥的徑向受力情況，左圖實(shí)線為筒閥外壁受力情況，虛線為內(nèi)壁受力情況。隨著圓筒閥的關(guān)閉，筒閥外壁受力先略有下降，進(jìn)而逐漸上升；而內(nèi)壁受力隨著筒閥的關(guān)閉逐漸減小。隨著開口的增加，外壁和內(nèi)壁受力下降得越明顯。圖7右圖為徑向受合力分析結(jié)果，筒閥受徑向力方向指向軸心，大小隨著筒閥的關(guān)閉逐漸增大。由于圓筒閥各向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁與外壁受力不一致，會使筒閥產(chǎn)生擠壓，不會使閥體產(chǎn)生傾斜。

圖8分別列出了不同導(dǎo)葉開度下，對應(yīng)某電站原型機(jī)最下水頭、額定水頭以及飛逸三個不同工況下的圓筒閥開度與徑向拉力的比較曲線�？梢钥闯觯谙嗤瑢�(dǎo)葉開度的不同運(yùn)行工況下，圓筒閥徑向拉力隨筒閥關(guān)閉規(guī)律是一致的，能量狀態(tài)下的筒閥拉力大小基本上是一樣的，而飛逸工況的圓筒閥拉力除了在筒閥即將關(guān)閉的位置外，基本上都小于能量狀態(tài)。

3.3圓筒閥關(guān)閉對水輪機(jī)流量、效率和飛逸轉(zhuǎn)速的影響

從圖9和圖10可以看出，隨著筒閥的關(guān)閉，水輪機(jī)流量、效率以及飛逸轉(zhuǎn)速都逐漸減��；隨著導(dǎo)葉開口的增加，水輪機(jī)流量、效率和飛逸轉(zhuǎn)速減小的幅度也是增加的。

3.4尾水管壓力脈動

圖11和圖12分別為能量狀態(tài)和飛逸狀態(tài)下，圓筒閥的關(guān)閉與尾水管壓力脈動變化規(guī)律。尾水管錐管上游和下游呈現(xiàn)的規(guī)律是一樣的。在能量狀態(tài)的小開度下，尾水管壓力脈動幅值基本上不隨筒閥開度的變化而變化；在中等大小開度下，尾水管壓力脈動幅值在隨著筒閥關(guān)閉過程中出現(xiàn)一次峰值；在大開度下，尾水管壓力脈動幅值隨著導(dǎo)葉開度的關(guān)閉先下降在升高再下降。在飛逸狀態(tài)下，尾水管壓力脈動幅值隨著筒閥開度的關(guān)閉逐漸減小。