2 组合阀门的特性分析

阀门的组合通常为串联、并联以及串并联相结合的形式。无论阀门如何组合,它的最终过流特性由各个单独阀门的特性决定。当组合系统中所有阀门的状态都确定后,阀门系统的过流特性也相应确定。

为了将单个阀门的特性与整个组合系统的过流特性联系起来,通过对阀门串并联组合形式的过流特性进行分析,导出相应的计算公式。

2. 1 串联阀门的过流特性

在实际的工程中,为了对某些局部设备进行检修,通常在其上下游设置阀门,这样便形成了阀门的串联。此外,在长距离连续的压力调水线路中,由于调压的需要,通常沿管线安装多个压力控制阀门,这也形成了阀门的串联形式,这种串联阀门间距较大,可以分开考虑。本文只对阀门间距较小的串联形式进行过流特性分析。

如图3所示的串联阀门(阀1、阀2) ,根据上节推导的阀门特性,阀门通过的流量分别可用如下公式计算:

图3 阀门串联的组合形式

如果忽略两阀门之间( 2、3断面)管道的阻力损失,那么h2= h3 ,由式( 6)、( 7)和式( 8)可得:

当n孔等直径的阀门串联时,组合系统的综合阻力系数为:

因此串联阀门的过流特性可以表示为

由以上的推导可知,当阀门在管路中形成串联时,串联阀门系统的总阻力系数为各个阀门的阻力系数之和,阀门系统的流量系数的二次方的倒数是所有阀门流量系数的二次方的倒数之和。

当两个或多个相同的阀门串联后,如果阀门同时开启和关闭,阀门的流量系数与开度的关系如图4所示。由于组合阀门系统的阻力系数是各个阀门阻力系数的和,所以串联阀门的流量系数比其中任何单个阀门的流量系数都小。

图4 阀门综合流量系数示意

2. 2 并联阀门的过流特性

当输水管路的流量和管径较大时,可以在控制段将线路分成并行的小管径管道,采取多个阀门并联的方式进行控制。

如图5所示的并联阀门,它们的进出口具有共同结点(断面1、2) ,在忽略拐弯段管道的水头损失情况下,有如下流量与水头关系式成立:

图5 阀门并联的组合形式

如果并联管道的管径相同,那么:

Q12 = A (Cd1 + Cd2 ) 2g (h1 - h2 ) , ( 19)

当多根等截面管道的阀门并联时:

由以上的推导可知,当多个阀门形成并联时,并联阀门系统的流量系数为各个阀门的流量系数之和,阀门系统的阻力系数的二次方根的倒数是所有阀门流量系数的二次方根的倒数之和。

当两个或多个相同的阀门并联后,如果阀门同时开启和关闭,阀门的流量系数与开度的关系如

图4所示。由于组合阀门系统的流量系数是各个阀门流量系数的和,所以并联阀门的流量系数比其中任何单个阀门的流量系数都大。

2. 3 多个阀门复杂组合特性分析

由以上分析可知,对于复杂的阀门串并联形式,可以通过串联和并联的关系式层层分解节点的方法求解。无论阀门采取何种形式组合在一起,只要阀门系统具有唯一的进口和出口,最终能够用单一的方程描述阀门系统的过流特性。

如图6的复杂阀门组合系统,根据以上方法求其系统的过流特性如下:

组合阀门的特性曲线如图4所示

通过以上的分析发现,如果把阀门看成一个局部阻尼器,把水头差看成是一种势能差,那么阀门的串并联与电阻的串并联具有非常相似的数学表达式,也就是说,在这种情况下,水流与电流在运动规律上存在一定的相似之处。

图6 串并联复杂阀门组合形式