阀门系统的过流特性及其对瞬变过程的影响

万五一1 , 练继建2 , 李玉柱1

( 1.清华大学水利水电工程系,北京100084; 2.天津大学建筑工程学院,天津300072)

摘要: 阀门的过流特性以及水击压力控制是输水管道优化运行的关键技术之一。为了确定复杂阀门系统的流量系数并控制阀门在关闭过程中产生的水击压力,运用有压管流的基本原理推导出阀门系统的综合流量系数计算公式,并以流量系数的变化过程来评估管路中产生的最大水击压力。结果表明,压力管路中产生的最大水击压力与流量系数的变化规律直接相关,对于同样的管路控制工况,流量系数的变化过程越平缓,所产生的水击压力越小。

关键词: 输水管路;阀门;流量系数;瞬变过程

Inf luence of valve system discharge coef f icient on hydraulic transients

WANWuyi 1, LIAN Jijian2 , LI Yuzhu1

( 1. Department of Hydrauli c and Hydropower Eng ineering,Ts inghua Universi ty, Bei jing 10084, China;

2. School of Civil Engineering, Tianjin Universi ty,Tianjin 300072, China)

Abs tract: Th e valve di sch arg e coef fici en t is the key to op timi zed operati on of piping sys tems , since th e valves cont rol th e f low and pres su re in long -di st ance condui ts in wat er t rans fer project s. An equivalent discharge coef fi cient f or com plex valv e s ys tems w as developed bas ed on th e h ydraulic characteri st ics of a pres su ri zed pipeline. Th e w at er-hamm er w as th en evaluated bas ed on the di sch arge coef ficient curve. Th e resul ts sh ow that the maximum transi en t press ure is di rectl y relat ed t o th e discharge coef fici en t, so

th at the maximum t ransient pres su re i s smal ler wh en the discharge coeff ici ent slow ly decreas es.

Key words: pres su red conduits; valv es; discharge coef ficien t;hydraulic transient s

阀门的组合通常可分为串联、并联以及串并联相结合的情况。如果把组合阀门系统看成一个集中元件来处理,无论阀门如何组合,它的综合过流特性由系统中所有已知阀门的特性所决定。通过各个阀门的过流特性可以计算出整个阀门组合系统的综合过流特性。

常规的水击计算[1 4 ]通常采用阀门的关闭规律来衡量其对水力瞬变过程的影响,计算中往往采用线性的公式求解阀门流量系数,实际上阀门的流量系数与开度呈非线性,而且只能通过实验获得。如果以公称直径为标准,阀门关闭过程仅仅是阀门的流量系数连续变化的过程,在开度变化规律相同的情况下,阀门的过流特性将决定管路中的水击压力变化过程。由此可知,阀门关闭的水击压力变化过程不仅与阀门的关闭规律有关,而且和阀门的过流特性密切相关。

以简单阀门的过流特性为基础,本文分析阀门组合系统的综合过流特性。利用实际的阀门过流特性曲线,把阀门几何开度的面积折合成阀门的公称面积,用阀门流量系数连续变化的过程来分析水击压力的变化特性。

1 阀门的基本特性分析

为了分析多个阀门组合后的过流特性,可从简单阀门的基本特性出发。不同的阀门结构,阀门的特性也存在较大差别[5, 6 ]。图1为一简单阀门的过流特性曲线。

图1 阀门过流特性曲线族

在固定的开度下,阀门可看成是一个局部阻尼器,阀门上下游水头差与流量的关系可以用二次抛物线方程描述。不同开度对应的曲线族可以描述阀门在任何开度情况下的过流特性。阀门的流量与水头差之间存在如下关系:

式中: Q为通过阀门的流量, A为阀门的公称面积,Δh为阀门的上下游水头差, g为重力加速度,YV为阀门的阻力系数, f为阀门的开度, Cd为阀门的流量系数。

由式( 2)和( 3)可知,阀门的开度与流量系数存在对应关系,如果知道阀门在任何开度下的流量系数,就可以确定其过流特性曲线。通过该曲线可以确定阀门在任何开度情况下的水头差与流量的关系。不同类型的阀门,它们的过流特性曲线存在较大的差别,图2为几种不同形式阀门的过流特性曲线[5 ]。

图2 阀门的过流特性曲线

在输水管路的调节控制过程中,阀门的流量系数随着开度变化而变化。阀门的流量系数曲线通常是由实验测得的[7 ] ,没有严格的方程与之对应,在计算过程中可以根据实验点进行插值求得不同开度情况下的流量系数。采取线性插值的方法,阀门的流量系数为

式中下标i、i+ 1为流量系数已知点的编号。在开度一定的情况下,阀门的流量与上下游水头的关系为

式中: Hu为上游水头, Hd为下游水头