用于农业灌溉节流和防护管道水锤的球阀系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种用于农业灌溉节流和防护管道水锤的球阀系统及其控制方法，该系统包括串联的一级球阀和二级球阀，一级球阀的阀芯上具有主流孔，以及与主流孔贯通的节流孔，一级球阀通过旁通管与释压阀体并联。该控制方法是使一部分水流通过一级球阀，另一部分水流经旁通管进入释压阀体，水流推动挡块来回运动，依靠阀体内的弹簧伸缩变化削弱关阀引起的水锤压力。本发明可有效减少水锤压力的上升，从而消除了管网水锤对管道系统安全产生的危害，具有节流和消除水锤的功能。

说明书

技术领域

本发明涉及农业灌溉和压力管道技术领域，具体涉及一种控制方法用于农业灌溉节流和防护管道水锤的球阀系统及其控制方法。

背景技术

目前节水灌溉系统中的输配水管网一般采用PVC、PE等塑料管道，这种管道的承压能力一般比钢管低，材料在多次水力高压冲击下会导致老化和破坏，使其耐压能力降低。而在管网的运行管理中，由于泵的突然启动或停止，阀门给水栓的突然启闭，往往会导致管网水锤的发生。水锤也称水击，它是流体的一种非恒定流动，在压力管流中因流速变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，水锤现象的延续时间虽然短暂，但它会造成严重的工程事故。

通常防止管道水锤的方法是采用补水或补气装置，例如在长距离输水管道中布置单向塔或者空气罐等设施，但这些工程设计复杂，工程量较大，造价很高。在输水管道中还可以设置空气阀进行补气。在停泵时候，空气进入管道虽然可以暂时弥补负压，但是进入管道后又会阻碍水体的流动，如果空气不及时排除，会累积成气团，更容易发生弥合水锤，对管道的破坏影响更为严重。在我国《泵站设计规范》的《条文说明》中有：“扬程高，管道长的大中型泵站，事故停泵可能导致机组长时间超速倒转或造成水锤压力过大，因而推荐在水泵出口安装两阶段关闭的缓闭蝶阀”；传统的两阶段缓闭蝶阀或者缓闭止回阀结构都比较复杂，维护水平要求较高，一般应用于高扬程、大流量、水锤升压较大的比较重要的泵站系统以及自动化水平要求较高的泵站系统，而且这些阀门一般设置在泵后，防止水体倒流对泵的冲击或者管道落空产生水锤的危害，而对于输水管路中间的水锤防护起到的作用很小。节水灌溉系统的泵扬程和流量都较低，输水管道的管径一般较小，但是布置较复杂，滴灌工程和喷灌工程的田间管网基本上呈“树枝状”，一般呈丰字或梳子形布置。当阀门同时关闭时，一旦发生水锤波叠加现象，对管道安全会造成极大危害，而应用于微灌管网中防止水锤的阀门类型尚未见报道。

在农业节水灌溉系统中，现有球阀最适宜直接做开闭使用，但是其调节流量和控制流量的作用并不十分突出。现有球阀的结构如图1和图2所示，在关闭时，通过操作阀柄2绕阀杆3的轴线旋转90度，阀杆3底部的突起4带动阀芯5的球面在阀座7内转动，主流孔6与阀体1的直线通道错开，以阻挡水的流动，在灌溉结束时刻，由于突然关阀，流速瞬时降为零，阀门处压力陡增，管道中就会产生水锤现象，过大的压力会对阀门和管网安全产生较大的威胁。在开启时，通过操作阀柄2绕阀杆3的轴线由关闭至开启，旋转90度，采用阀芯主孔6与阀体1的通道相连接，管路中的水流处于连通状态。

现有球阀主要应用于支管进口处，由于其结构简单，体积小，对水流的阻力也小，缺点是开启或关闭太快，会在管道中产生水锤，微灌管网结构复杂，当管网布置在大落差、大坡度等复杂地形时，管道沿线坡度陡缓不均，极易引起管内流速的变化，从而容易发生水锤。任意一级管道发生水锤事故，都可能对整个系统造成破坏。虽然目前的V型球阀可以调节和控制介质流量，但由于其利用阀芯垂直节流，阀体在小开度工作时容易产生振荡，长时间使用也会缩短装置的使用寿命。设计一种在正常灌溉使用中既能起到节流作用，且在关阀时候起到消除管道水锤作用的阀门系统已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于农业灌溉节流和防护管道水锤的球阀系统及其控制方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的用于农业灌溉节流和防护管道水锤的球阀系统，包括串联的一级球阀和二级球阀，所述一级球阀的阀芯上具有主流孔，以及与主流孔贯通的节流孔，所述一级球阀通过旁通管与释压阀体并联。

作为优选，所述释压阀体内装有双向缓冲弹簧，所述双向缓冲弹簧的两端安装有挡块。

作为优选，所述挡块的面积大于旁通管的面积。

作为优选，所述节流孔包括孔径依次增大的第一节流孔、第二节流孔、第三节流孔和第四节流孔。

作为优选，所述阀体上安装有刻度盘，所述阀芯与阀杆固定连接，所述阀杆上固定安装有指针，所述刻度盘的刻度与节流孔的位置相对应。

作为优选，所述旁通管道上还安装有调节筏板。

本发明同时提出一种用于农业灌溉节流和防护管道水锤的球阀系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，设置球阀系统，包括串联的一级球阀和二级球阀，所述一级球阀的阀芯上具有主流孔和节流孔，所述节流孔与主流孔贯通，所述一级球阀通过旁通管与释压阀体并联；

步骤二，控制一级球阀的开度，控制通过一级球阀后的流量，一部分水流通过一级球阀，另一部分水流经旁通管进入释压阀体，通过释压阀体消减水锤压力；

步骤三，操作二级球阀关闭。

使用时，本发明的一种用于农业灌溉节流和防护管道水锤的装置及方法，通过在管网支管进水口处设置球阀串联系统得以实现，它主要由一级球阀和二级球阀及旁通管、释压阀体组成。当灌溉中需要减少流量时，可以调节系统中的一级球阀的开度，使球阀转动于不同等级节流孔和阀体进水口相通的一面，这样水流通过小面积的节流通道，从而流量减少，起到了节流的作用。旁通管道的调节筏板要保持关闭状态，正常时候不需要旁通泄流。

当灌溉任务完成，需要关闭阀门时候，可以先调节一级球阀的开度，转动阀柄使阀芯从主孔到最小等级节流孔顺次与管道入口相通，水流的流量和流速逐渐降低，避免了由于快速关阀对后面二级球阀的水力冲击。在调节球阀开度时候，同时打开旁通管道上的调节筏板，使管道一部分水流经旁通管流入释压阀体，水流推动挡快进行来回的运动，起到了旁通泄流作用，很好的防止了由于流速改变而造成管道压力上升。经过一级球阀和缓冲弹簧的消能，水流流速已经缓慢减弱，这时候可以快速关闭二级球阀，二级球阀的构造和普通的球阀一致，只有主孔道而没有节流孔，适宜作直接开启或关闭，关闭时二级球阀采用球面阻止水的流动，开启时通过主孔道与输水管道相连接。

一级球阀开启时，主孔道和进水口相连，两侧球体壁面布置有节流孔，从节流孔面积至主孔道面积划分出四个等级，其中主孔最大，剩余的都属于节流孔，依次减小。一级球阀的阀柄下紧挨着刻度盘，刻度盘上标示有相对开度的大小分布。四个等级对应的开度可以在刻度盘上相应表示出来。一般在干管与支管连接处设置压力传感器，可以根据压力范围来调节一级球阀开度大小来选择不同等级节流孔来过流，从而控制支管所受压力。或者在干管与支管连接处设置水量表，根据灌溉水量目标来调节一级球阀开度选择不同等级节流孔来过流。

通过一级球阀的开度变化，可以控制阀芯进水面积在通道内的开启大小，从而可以控制过阀流量的多少。当开启节流孔时候，节流孔的面积相比主孔要小，流量减小造成了过阀损失，水流通过一级球阀后压力和流速都减小。可以建立流量与相对开度的关系。由于不同类型的阀门过流特性均不同，球阀的流量系数或者阻力系数可由阀门厂家提供。当灌溉实施中需要改变流量时，可以通过一级球阀的阀柄按照刻度盘的指针进行调节，将球阀开启面积调到对应的开度上，这时候旁通管的调节筏板呈关闭状态，二级球阀呈正常开启状态。

一级球阀和释压阀体并联，在释压阀体内设置有缓冲弹簧，缓冲弹簧的长度是可以调节的，它可以根据进入释压阀体的水流冲击力大小设置弹簧长度，在理想状态下，根据能量守恒规律，可以认为旁通水流的动能全部转化成弹簧的弹性势能。释压阀体与旁通管相连，但释压阀体的面积要大于旁通管的面积，这样设计是为了一级球阀关闭时，水流更容易进入释压阀体内，避免对旁通管造成过大的压力，水流携带的冲击能量通过缓冲弹簧来回伸缩而减弱，这样水流的流速会逐渐减小，对弹簧的压力也会逐渐减弱，水流再进入管道汇合后流速减弱许多，这样二级球阀关闭时遇到的压力就会变小，关阀形成的水锤波在管道中的传递也会减弱。当依次关闭二级球阀时候，一部分水流又会通过回流管再次进入释压阀体，这时弹簧起到了反向缓冲水压作用，起到了降低二级球阀关闭的水锤压力和水流对一级球阀的回流冲击。

有益效果：本发明采用球阀串联的方式可以更加有效的减少水锤压力的上升，防止水锤现象的发生，从而消除了管网水锤对管道系统安全产生的危害，这一套装置和方法具有节流和消除水锤的功能。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的用于农业灌溉节流和防护管道水锤的球阀系统及其控制方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是现有球阀在开启状态下的结构示意图；

图2是现有球阀在关闭状态下的结构示意图；

图3是本发明实施例一的球阀系统的结构示意图；

图4是图3中刻度盘的局部放大图；

图5是图3中1级节流阀阀芯的节流孔设置样式；

图6是现有球阀串联组合的简图；

图7是现有球阀并联组合的简图；

图8是本发明实施例一中球阀装置的简图；

图9是本发明实施例二的模拟系统布置图；

图10是球阀不同组合方式下的流量系数与开度变化曲线；

图11为一级球阀的过流特性曲线；

图12为单球阀关闭时阀门处压力变化过程图；

图13为该发明装置关闭时一级球阀处压力变化过程图；

图14是图3中释压阀的另一种结构的示意图；

图中：阀体1，阀柄2，阀杆3，突起4，阀芯5，主流孔6，阀座7，旁通管8，支管9，干管10，弹簧座11，第二弹簧座11-1，释压阀体12，挡块13，第一挡块13-1，第二挡块13-2，缓冲弹簧14，调节筏板15，节流孔16，一级节流孔16-1，二级节流孔16-2，三级节流孔16-3，刻度盘17，开度标识18，指针19，现有球阀20，一级球阀21，二级球阀22。

具体实施方式

实施例一：

本实施例的球阀系统如图3所示，用于农业灌溉节流和防护管道水锤。其中干管10和支管9垂直连接，在支管9的进口处设置本发明的球阀系统，水流方向如图所示。该系统包括串联的一级球阀21和二级球阀22，在一级球阀21的阀芯5上设置有与主流孔6贯通的节流孔16，阀杆3末端设置成突起并嵌合在阀座中。阀体1采用如不锈钢那样的硬材料制成，阀座采用树脂或橡胶那样相对较软的材料制成。在一级球阀的阀柄2与阀杆3之间还安装有刻度盘17。一级球阀21的左侧阀座旁分出一个旁通管8，旁通管8的另一端连接到一级球阀21和二级球阀22之间的管道上。旁通管8上安装有释压阀体12，释压阀体12内具有挡块13和缓冲弹簧14，两者之间安装有弹簧座11。在旁通管8的进口处设有调节筏板15，可以控制水流是否进入释压阀体12。

如图4所示，刻度盘上具有开度标识18和指针19。其中开度标志18与阀体固定连接，其刻度与阀芯上节流孔的位置相对应。指针19与阀杆3固定连接。

如图5所示，节流孔位于主流孔6两侧，和主流孔6垂直相通，节流孔分为三种不同大小等级，分别为一级节流孔16-1，二级节流孔16-2和三级节流孔16-3。节流孔与主流孔6共形成四级流量，可通过阀杆旋转相应的开度进行切换。

本实施例可以利用一级球阀充分调节流量的功能，使其过阀流量减小，释压阀体的缓冲弹簧对进入旁通管的水流起到了很好的消能作用，那么一级球阀关阀时候面对的水流冲击压力将会减小。当二级球阀关闭时，水流通过旁通管回流，流经释压阀体，水流推动挡块往复运动，形成一个动态的平衡。阀芯弹簧缓冲水回流时候的冲击压力，释压阀体可以经受旁通泄流的正向冲击，也可以经受二级球阀关阀引起的回流反向冲击。总体上说明该发明装置系统联合作用消除了一级、二级球阀关闭产生的水锤压力，从而避免了管网水锤的发生。

现有球阀20的组合通常可分为串联、并联以及串并联相结合的情况。串联阀门布置形式如图6，并联阀门布置形式如图7。本实施例的球阀系统可以看做一级球阀21和释压阀体12先并联，然后再和二级球阀22串联，整个系统可以看作两级球阀串联形式，布置简图如图8。

实施例二

某一节水灌溉方式选择滴灌技术，模拟系统布置如图9，管网系统由清水池、水泵、干管、支管、球阀、连接件和小区田块等组成，序号2-8为串联节点，序号9、11为球阀，分别控制着种植小区1和种植小区2，干管与支管的连接方式与实施例一相同，清水池通过水泵加压至5m高水头，管道高程与种植小区高程皆为0。输水管材采用PVC材料，波速测定为437m/s，管径为DN100，流速为2m/s，该管材压力标准为0.8Mpa，系统分为11段，全长110m。球阀的关闭规律                                               （T_c=2s）。计算工况为：初始时刻管路末端的小区1球阀和小区2球阀均为开启状态，待管中流态稳定后，突然关闭小区球阀1，管网产生非恒定流过程。用单球阀和发明装置球阀系统分别作为小区球阀1，来探讨这两种方式关闭阀门时对管道最大水锤压力的影响。由于两级球阀关阀间隔时间很短，可以假设发明装置系统关闭方式为一级球阀和二级球阀同时关闭。

根据直接水锤公式： （式中△H为水锤升压值；α为水锤波传播速度；△V为水流流速变化量）可以计算得到单个球阀关闭后阀门水锤压力达到了89.09m。关阀水锤压力值已超过压力标准，若关阀时间小于一个相长，那么管道安全将受到爆管危险。若使用该发明系统装置将一级球阀相对开度L/L_max调为0.7，见图11的一级球阀的过流特性曲线，相对开度0.7所对应的流量为36%的最大流量Q_max，那么流速也为36%的最大流速V_max，一级球阀的压力将为单阀门关闭水锤压力峰值的36%，也就是32.07m，假设两级球阀为近似同时关阀，那么二级球阀加上释压阀体所受到的压力是57.02m。可以看出两级球阀关阀压力和释压阀体所受压力之和为单设一个球阀所承受的压力值，所以之前一个球阀所受的压力值现在分担给三部分，整个管路所受到的水锤压力符合管道压力标准。也可以将一级球阀的开度再适当调整，更好的使关阀压力均分到两级球阀和释压阀体上。

     需要注意，球阀相对开度不能调的太小，如果太小，水流进入球体的通道面积减小，水流方向偏转加大，球体通道前后出现较大的压力梯度，流速梯度也会非常明显。由于水流发生折流撞击流道边壁在阀体内产生回流区，回流区将产生漩涡现象，运动尺度会非常剧烈，较大的紊动强度不但导致很大的能量损失，而且引起球阀的剧烈振荡，影响球阀的安全运行。所以根据实际流量的大小和管材压力标准合理调整一级球阀开度是该发明得到很好运用的关键。

目前研究管道水锤一般以数值计算为主，特征线法在许多水锤问题分析中得以广泛运用。本实例计算程序运用FORTRAN语言编写，采用特征线法模拟计算该发明装置关阀过程中的压力变化过程，对该发明在节水灌溉中的实用性作进一步分析。

图12和图13分别为单球阀关闭和采用发明装置系统关阀在管道中最大水锤压力点的压力变化过程。可以看出，当小区1球阀迅速关闭时，阀门处的压力在较短时间内迅速升高到最大压力，随着时间的推移，由于管网阻力的存在，水锤压力逐渐减小，但是系统阻力不是很大，水锤波振荡的衰减是相当缓慢的。对两种方式关阀所产生的水锤压力极值作了统计，其中采用单球阀关闭，在1.969s时刻产生水锤压力最大值37.79m；采用两级球阀串联系统关闭，在2.013s时刻产生最大水锤压力值29.83m；从计算结果来看，球阀串联系统产生的水击压力较小，与之对应的阀门流量系数变化过程也相对平缓（见图10）。说明可以通过改变球阀组合方式来影响阀门流量系数的变化，从而改变管路中产生的水锤压力大小分布。

如图14所示，释压阀的弹簧座也可以采用如第二弹簧座11-1的结构，第二弹簧座11-1包括连接杆和限位块，释压阀体12内的第一挡块13-1与连接杆固定连接，第二挡块13-2与连接杆滑配，限位块对第二挡块13-2起到限位作用，第一挡块13-1与第二挡块13-2之间安装有缓冲弹簧14。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。