一、概述

技术供水方式的选择多种多样，有自流减压供水方式、水💎泵供水方式、水轮机顶盖取水供水方式、小水轮机减压后供水方式等。因为自流减压供水方式运行稳定、维护简单且可节约工程投资，技术可靠优越且有较高的经济性，被很多水电站采用。

但对很多高水头电站而言，采用自流减压供水方式会突破我国现行规范的要求，对是否采用自流减压供水方式宜做进一步的分析研究，并且技术供水对象对水压有严格的要求，因为自流减压方式需要通过减压阀将来自🌱上游高压水的多余水压加以削减，所以必须对减压阀有关性能进行可行性研究和分析。

影响减压阀性ജ能的主要因素之一，即流体对阀体过流位置的气蚀和冲蚀，即流体在减压阀内的流态，反应现象为减压阀在工作过程中的震动和噪音。

二、实验对象和目的

ZJY46H型活塞式减压阀是我国水电站自流减压方式采用得较多，也是较稳定的一种减压阀，其具有高减压比、大流量、稳定性好、使用寿命长、一级减压的特点。但即使如此，在高减压比的工况下运行时，由于能量消耗的形式体现，运行噪声和气蚀的现象也是不可避免的。在分析这一✱现象时，我们认为：合理的过流面积的几何形状可有效地减小流阻，同时有效地减少噪声和气ܫ蚀程度。

为此，我们首先设计了两个改进型DN150节流锥S1#和S2#，和缸套阀座组合件，先在试验台上进行试验，S2#节流锥和缸套阀座组合件，取得了🅰明显的预计效果；然后我们又在某水电站进行了水电站试验，证明了这次改进的确有着良好的效果。

在水电站试验取得良好效果之后，我们根据节流ꦦ锥型线优化试验数据制造出DN450大口径减压阀，在CDF实验台上采集参数进行了CFD分析，以印证改造思路和效果。

三 试验台实验

3.1.试验台简介

3.1.1、多功能试验台

如图1 所示：B为多级泵；A为被测减压阀；C为安全泄压阀。试验系统开启后，将P1高值调整为1.9MPa，然后在分别设定P🐠2为各不同值，在各值中改变P1值，观测在不同工况下🔯的运行稳定性和噪声。

3.2、试验方式

用两个改进型DN150节流锥S1#S2#和一个原型节流锥S0#和相对🅘应的缸套阀座组合件，先后装入减压阀阀体内在试验台上进行试验，通过给定出口压力、调节进口压力，测试主阀不同开度条件下的噪声分贝值，即可比较不同节流锥的性能差异。

3.3.试验台试验数据及初步判断

试验台试验结果见表一：

注💛：P1为进口压力(MPa)；P2为出口压力(MPa)；🗹K为主阀开程(mm)；Z为噪声声压级(dB)。

由表一可知，改进型节流锥S1#的降噪性能比原型节流锥S0#稍好，而改进型节流锥S2#降噪性能好。

四 水电站试验

4.1.水电站及减压阀使用情况简介

某水电站装机容量为2×6300kW，为引水式电站，机组技术供水采用自流减压供水和水泵供水方式，单机组技术供水流量为450m3/h；水头为260m～240m。因水泵运行故障率高，所以自流🅷减压供水为主供水。

4.2、机组自流减压供水系统简介

如图2所示：在压力钢管进机组处的位置附近取水。K1、K2分别这取水阀和工作阀，Y为ZJY46H-40C DN150减压阀。P2的压力整定为0.6MPa，减𓆉压后的水直供水池，再由水池供两台机组用水。调节阀门K3为合适的过流面积。改进前的单台ZJY46H-40C DN150减压阀的流量在满足两台机组运行时，运行噪音为🦩118dB。

4.3、自流减压供水系统工作状况

该水电站以🃏前曾用国外某公司生产的膜片差压式DN450减压阀两台作两级减压，使用🐷不到半年即损坏，无法再用。后改用我公司生产的ZJY46H型活塞式减压阀一台作一级减压，使用一年后，虽然噪声偏高，节流锥有冲蚀和气蚀，但仍能使用。

由于电站生态环境较差，植被破坏严重。水中的杂质主要为石英砂。由于高速水流产生的气蚀，再加上石英砂的磨蚀，减压阀的运行环境很差。这就需要对减压阀进行合理的改进，保证在恶劣环境下运行的减压阀🔜有良好的适应性，以保证电站的正常运行。

4.4.水电站试验简介

原计划试验S2#节流锥和S0#节流锥及对应的缸套阀座组合件，以作比较。但因两次试验间隔的准备时间（减压阀前截止阀不能关死，需压力钢管泄水和灌水）过长，为不影响按时发电，只试验S2#节流锥而ಌ未能进行S0#原♉型节流锥的试验。

另外，只有减压阀后有压力表，而减压阀前没有，也没有流量计。这对试验造成一定的不便。

在S2#节流锥试验过程中及后正式发电投入运行时，用户评价：噪声明显减小，振动微弱。

4.5.水电站试验数据及初步判断

水电站试验结果见表二和表三：

注：1)符号同表一。2)减压阀主阀全开程为28mm。3)调节杆预压高度为89mm。

由表二可知，出口阀开度从𝔉全开到1/2开时，减压阀的出口压力变化很小，不影响机组运行。此时通过减压阀的水流噪声有较大降低。

注：1)符号同表一。2)减压阀主阀全开程为28mm。ꦗ3)带*号的调节杆预压高度为63mm，是当前的发电投运状态。其余的调节杆预压高度为89mm。

对比表二和表三，可以发现：

1)当出口压力调高后，水流噪声降低约6～7 dB。

2)在表二中，出口阀开度变化后，水流噪声从110.0 dB降到91.0 𒊎dB，降幅为19 dB；在表三中，水流噪声则从111.0 dB降到88.5 dB，降幅为22.5 dB。

3)试验完成后，应电站要求，将ZJY46H-40C DN150减压阀的P2值整定为0.7MꦫPa,调节出口阀K3满足两台机组运行的流量要求。即时工况的噪声为8൲9.5dB。

一般来说，减压阀的水流噪声与水♊通过节流锥产生的涡流直接相关，而♒涡流与节流锥的几何形状、附近的流道及流速有关，而流速又与节流锥的开度和前后压力差有关。

选择合理的节流锥形状，可以减小流阻系数及相应的涡流影响；🍌增加主阀调节杆的预压量，可以增加水的流量而降低通过节流锥过流面的流速（实际上是流阻损失减少）🎃。通过这种方式，我们可以有效降低减压阀的水流噪声。

4.6. 结论

1)S2#节流锥对降低减压阀的水流噪声是有效的。

2)S2#节流锥的稳压性能是可靠的。

3)辅以增加主阀调节杆的预压量对降低减压阀的水流噪声也是可行的。

五、CDF试验

5.1．CDF试验台简介

如图所示：4位置活塞式减压阀， 分别为ZJY46H-💦25C DN450活塞式减压阀；压力表（P1、P2）精度为0.4级，并具有稳流管和旋塞调节阀；测流流量计为电磁式或超声波式均可，安装于被测阀4后的规定位置。

5.2。、试验方法

5.2.1． 本次试꧒验的P1值为5个测试点：1.50MPa、1.70MPa、1.80MPa、1.90MPa、2.00MPa。P2值分别为0.40MPa和0.60MPa。每个P2值的P1变化值满足前叙5个测试点的技术要求。试验方法如下：

调节减压阀工作反馈系统的控制阀，使P2=0.40MPa。

5.2.2、 调꧂节F1的开度，使P1值分别升序，即：1.50MPa、1.70MPa、𓄧1.80MPa、1.90MPa、2.00MPa。并在每个点记录P1值、P2值、Q值。

5.2.3、当P1值升至2.00MPa时，调节减压阀工作反馈系统的控制阀，使P2=0.60MPa。

5.2.4、调节F1的开度，使P1值分别降序，即：2.00𝓀MPa、1.90MPa、1.80MPa、1.70MPa、1.50MP൲a。并在每个点记录P1值、P2值、Q值。

5.3、模拟试验数据

测试型号：ZJY46H活塞式减压阀DN450-25C

出口压力整定值（MPa）：0.4-0.6

测试参数：P1-进口🐼压力（MPa）、P2-出口压力（Mpa）、Q-流量（m³/h）、H-主阀拉杆运🙈行开度（mm）

基准参数：H0-主阀拉杆全关值227（mm）

六、ZJY46H活塞式减压阀CFD分析及节流锥型线优化

计算技术和计算流体力学的飞速发展使得设计者可以借助CFD软件模拟各种复杂流动现象，对流场特性有直观的了🍌解，进而可针对所出现的问题改进设计，大大节约时间和成本。

利用三维CFD技术，拟对ZJY46H活塞式减压阀的减压过程，流场特性如压力场、速度场等以及空化和噪声性能⛦进行定性描述，以🌞验证所采用的ZJY46H活塞式减压阀在玛尔挡电站自流供水系统中的可行性。

ZJY46H活塞式减压阀是依靠调整阀芯开度来改变阀芯与阀座之间的环✨形通道（也就是过流面积）来达到减压目的的，水流冲击ZJY46H活塞式减压阀阀芯会消耗部分能量，从狭小的过流面积通过的水流流速会急剧上升，从而导致较大的压力降。显然，节流锥型线对ZJY46H活塞式减压阀性能有直接影响。

6.1. ZJY46H活塞式减压阀结构图

6.2 ZJY46H活塞式减压阀三维建模及网格划分

6.3 ZJY46H活塞式减压阀数值计算条件

6.4 ZJY46H活塞式减压阀数值计算结果

针对水电站技术供水的实际运行🎃情况，如果运行工况稳定，一定的进口压力或流量会对应于ZJY46H活塞式减压阀的某个开度H，首先应该在模拟试验台上寻找出对应于水电站技术供水ꩵ的ZJY46H活塞式减压阀阀芯开度。

分别试算H= 45mm、3▨5mm、30mm、29mm、28mm、27mm六种阀芯开度并比较计算结果，得出在H=28mm时，ZJY46H活塞式减压阀出口压力约为0.6MPa，因此适于给定的水电站技术供水系统的ZJY46H活塞式减压阀的开度应为28mm。

ZJY46H活塞式减压阀出口压力随开度变化曲线

6.5 减压阀空化性能分析

水流在经过阀芯与阀座之间狭小的过流面时，流速急剧增大，压力会迅速降低，形成低压区，这些低压区域很容易发生空化现🔯象，若空化现象持续累积将会造成减压阀减压性ꦫ能的下降，增加运行成本。

空化发生的根本原因是在液体温度一定的条件下，液体的绝对压力降低到当地汽化🌳压力以下，此时液体会汽化或者溶解于液体中的空气发育形成空穴，当空穴随水流运动至高压区时，气泡会溃灭，若溃灭发生在固体避免附近，将会引起过流表面的材料损坏。

采用ꦅFLUENT进行减压阀的空化数值模拟，空化模型采用基于混合相的“Schnerr-Sauer”空化模型，汽化压力取为3540Pa，空泡数密度为1e+13，进口给定速度入口边界条件，且进口处水蒸气体积分数为零，出口给定压力，同样水蒸气体积分数为零，采用无滑移壁面条件。计算时先采用定常计算，然后在定常计算的基础上采用非定常计算，时间歩长取为꧟5e-6s，计算步数取为2000，每一时间步迭代次数为20。

6.6 减压阀噪声仿真分析

减压阀内ಌ的流场是极不稳定的，不稳定的流场会产生一定强度的流噪声。并且伴随着空化现象的发生，空泡的不断溃灭，势必会引起减压阀的噪声和振๊动，因此有必要对减压阀内的噪声进行仿真分析。

借助⛦FLUENT，在空化非定常计算的基础上，利用噪声模块，采用“Ffowcs-Williams & Hawkings”噪声模型，远场密度为水密度998.2kg/m3,远场声速为1483m/s ，参考升压为1e-5Pa，定义减压阀阀芯为噪声源，FW—H模型可以将流场分布转化为阀芯表面的声源，从而进行噪声分析。

由奈奎斯特采样定律：在进行模拟或数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中的高频率的两倍时，那么采样之🥃后的数字信号完整的保留了原始信号中的信息。一般实际应用中应该保证采样频率为信号高频率的5-10倍，本次噪🐭声数值模拟中取时间歩长△t=5e-6s,则根据采样高频率与时间歩长的关系：

　　经计算，f=100KHZ，

低频时声压级幅值较大，且变化梯度大，随着频率的升高，幅值持续下降，后在基本保持在一个定值，由此可知，噪声的低频能量较大，高频༒部分能量较小。并且远离阀芯的位置噪声越小，且上游噪声较下游小一些。

6.7 减压阀节流锥型线优化

基于对减压阀流动特性的分析，拟对减压阀进行节流锥型🍒线进行优化🔥，旨在降低空化发生率，同时期望阀芯附近的大噪声有一定的下降。

减压阀阀芯断面靠近上表面处易发生空化，根本原因是此处流体过流通道的急🍷剧改变形成了较大的速度梯度，因次可以考虑将端面与上🌟表面之间的过渡面改为曲率更大的曲面形结构，使流道更加光滑。

改型后减压阀出口压力随阀芯开度变化

改型前后阀芯与阀座上流区域压力云图和下流区域速度云图

改型前后减压阀阀芯气泡体积分数分布图

改型之后的减压阀空化性能得到明显地改善，气泡的大体积ꦬ分数由0.537减小到0.214ꦅ，减幅达60%以上。

改型前后减压阀声压级对比图

优化前后的减压阀有相同趋势的声压级图，优化节流锥型线后的减压阀声压级平均下ౠ降了20dB以上，并且优化后的减压阀声压级脉动性较未优化明显，达到一定的减噪要求。

6.8 结论

通过对ZJY46H-2🎃5-P-④-Q2型减压阀进行三维建模，划分网格，给定计算条件，对减压阀进行了CFD三维流场特性、空化特性和噪声仿真的研究。由CFD计算结果来看，减压阀在阀座与阀芯之间的过流区域流场不稳定，其压力、速度等梯度变化较大，易发生空化现象并且伴随着一定的噪声，严重时可能影响机组技术供水的正常供应。根据初步关于减压阀的数值模拟结果，对节流锥进行型线优化，重新计算并与初始结果做一对比，结果表明：优化节流锥型线后的减压阀在未改变减压效果的前提下，其空化性能有所改善并且噪声有一定的下降，达到了预期的优化效果。