1 概述

1.1 减压阀的分类

单论减压阀的分类，就足可以写一个专篇了，所以这里只是简要的引用一下规范里面的分类方法，不详细展开了。而且，规范给出的分类方法在本文的讨论中，已经足够用了。详细的内容，请读者自行参考相关的阀门设计手册。

1.2 雨淋阀的基本构型

具体到雨淋阀构型，其实还有细分的分类方法，在这里，依然不详细展开了。常见的雨淋阀，以隔膜式和杠杆式为主，由于PRV-1是隔膜式，所以本篇中，以隔膜式为主来讨论我们将要面对的问题。再进一步，对于隔膜式雨淋阀，分为直通型与角型。直通型的雨淋阀，其进水与出水方向一致；角型雨淋阀的进水与出水，有90度的方向偏转。方向变化或者不变化，均以阀门连接法兰为准，不包括阀门内部的水流流向，如下图所示。

不难看出，无论是直通型还是角型隔膜式雨淋阀，其主体部分最核心的组件是隔膜。上述两种隔膜式雨淋阀，在隔膜（主阀芯的密封）部位是相同的，出水方向的改变，是由于集水用环形腔的出口位置不同。此外，该图中的雨淋阀的具体构造与PRV-1仍然有细微差别，并没有完全保持一致，各位读者注意区分。

2 雨淋阀模型的工作原理及其工程实用化

在本节中，我们将讨论雨淋阀的基本构型原理；进一步，在工程实用的条件下，我们将基本构型进行适当的调整，以满足工程实用的要求；再进一步，初步讨论雨淋阀的必要附件。

2.1 雨淋阀模型的工作原理

在开始详细的讨论之前，我们先来认识一下雨淋阀的基本结构。在本节的内容中，我们只讨论雨淋阀的基本构型，至于说基本构型的具体应用（例如：用于减压阀、用于报警阀、用于需要自动开关的各种场合等）我们并不做具体的限制。如下图：

雨淋阀的基本构型中（以隔膜式雨淋阀为例），在结构方面，其主要特征是：有三个腔室，并通过三个腔室的压力调整来实现特定的功能。三个腔室分别是：进水腔、出水腔、控制腔；相应的，三个腔室的压力，我们分别表示为P1、P2、P3。上图所示的雨淋阀中，隔膜在控制腔压力变化的情况下，是可以打开或者关闭的（图示剖面即为隔膜的上下运动），图示状态为关闭状态。此外，图示的阀门结构，其阀芯的密封副（即隔膜与其底座接触的部分）是对称结构，隔膜位于进水腔与出水腔的部分，在理论模型中，我们认为是对称的。

基于图2.1-1的基本构型，雨淋阀的打开与关闭的基本原理，就很明显了。进水腔与出水腔的压力，显然应当为P2≤P1。控制腔的压力，是可以变化的，正是由于控制腔压力的变化，会导致阀门开启状态的变化。

2.1.1 阀门的关闭

我们先假定P3≥P1，则此时三个腔压力的大小顺序为P3≥P1≥P2，在理论模型中，我们假设隔膜上下两侧的受力面积相同，因为上下侧压力（准确说为压强）的不同，隔膜整体受力向下。阀芯受到向下的作用力时，使阀芯处于关闭状态。

特别的，我们单独讨论P3=P1的情况。在该种情况下，隔膜右侧（与进水腔接触的部分）由于上下侧压力（准确的说为压强）相同，作用面积相同，则隔膜右侧理论受力为零。隔膜左侧，P3=P1≥P2，除去P1=P2=P3的工况，则有P3>P2，虽然隔膜左侧（与出水腔接触的部分）上下两侧的作用面积相同，但是P3>P2的压力差（准确的说为压强差）仍然会使膜产生向下的合力。综上，隔膜右侧受力平衡，左侧有向下的合力，阀芯（隔膜）的整体受力仍然向下，则理论上可以使阀芯处于关闭状态。

2.1.2 阀门的开启

阀芯的开启，原理比较简单，当P3值小于一定的值（必要情况下，P3可以减小到表压为零），则隔膜受进水腔与出水压力的作用，会向上运动，从而打开阀芯。

特别的，我们讨论P3=P2的情况。此时，与2.1.1节后半部分讨论的情况类似，隔膜左侧（与出水腔接触的部分）受力为零，隔膜右侧（与进水腔接触的部分）受向上的合力。在理论分析中，这个向上的合力可以使阀芯打开。

2.2 理论模型的实际运用

在讨论完2.1小节的理论模型后，我们来看，将理论模型在实际的工程中运用，还需要考虑的一些细节问题。

2.2.1 控制腔压力P3的取值范围

在实际的管路中，我们针对雨淋阀（此处暂时不限定其具体的用途）的安装节点，P3能够获得的最大的压力值即为P1；当控制腔要获得大于进水压力P1的压力时，则必须有其它的增压措施。显然，在主阀芯关闭的过程中（即：P3升压的过程），我们希望P3在不大于P1的状态下，便能够实现阀门的关闭，是最好的。

如果不在水力条件方面限制P3的最小值，那么控制腔在压力下降的过程中，如果使控制腔与大气直接相通，则P3的压力下降可以降至表压为零。此值即为P3的最小值。

根据2.1节的理论分析，当P3的最大值取P1，最小值取表压为零时，能够满足理论模型的阀芯开启与关闭的要求。

2.2.2 控制腔进水孔的水流流向

在这里，需要特别注意一下，在图2.1-1中，对于控制腔，其顶部的预留孔，虽然我们称其为进水孔，但是要注意其流向问题。控制腔的压力P3，有升压过程，也有降压过程，在一般的民用建筑水系统中，我们仍然是将介质水视为不可压缩流体的，所以，控制腔升压的过程，本质上为进水过程，而降压过程，为出水过程。亦即，虽然我们将控制腔顶端的小孔称为“进水孔”，但是需要注意其在实际的工况下，水流为双向流动。按照上述的讨论过程，我们把雨淋阀基本构型中的控制管路补充完整，则有下图：

上图中的减压限流节点的作用，我们将在下面一个小节讨论。增加相应的管路后，控制腔出水端，必然的，需要增加一个控制阀门。此处阀门的具体控制方式，我们在讨论雨淋阀构型的具体应用形式时，再做详细讨论。上图中，以普通球阀代替，并且控制腔出水暂时按排至大气考虑。

2.2.3 控制腔进水孔的限流与限压

通过各种雨淋阀的实物照片，大家直观的感受就是，雨淋阀的控制管路都是非常细的。实际上，对于DN100及以上的雨淋报警阀，其控制腔连接管的管径为DN25，常用镀锌钢管现场装配；其它类型的基于雨淋阀构型的阀门，其控制管路，都是出厂前装配完毕，一般为10mm左右的铜管。对于雨淋阀的控制管路，我们可以按照其对控制腔的作用，分为控制腔供水管及控制腔出水管。由于控制腔压力的任何变化，均与控制腔供水管有关，所以，在本小节中我们详细讨论一下控制腔供水管的两个典型工况。

根据2.1节的基本讨论，阀门关闭所需的压力值P1，是由供水管提供，故控制腔的供水管应当在规定的时间内使控制腔压力上升至P1所对应的数值，进而使阀门关闭。进而，控制腔应当与供水管之间直接连通。此处“直接”二字的含义是：在控制腔压力上升的最后时刻（即控制腔由供水端补水的流量降至零的时刻），控制腔与供水端压力相等。要达到此目的，特别是只要求最后时刻两腔压力相等，则使用任意管径（限民用建筑范围内）的一段管路将控制腔与供水相连即可。在工程实际中，此目的非常容易达到，只需要使用10mm(常见值)左右的铜管将控制腔与供水管连接即可。

应当注意到，当我们将控制腔与供水管用一段管段连接后，则供水管对控制腔的供水能力，则是在任意时刻都具备；特别的，当我们需要控制腔泄水降压打开阀门的工况时，控制腔的供水管的供水能力依然存在。我们以一个实例来描述这种工况，假设主管道管径为DN150，控制腔供水管的管径我们取为DN50，而控制腔出水管的管径取为DN15，设供水端的供水压力为0.6MPa。在上述假设下，显然，按图2.2-1，我们打开控制腔出水管的控制阀，由于控制腔供水管的供水能力远远大于出水管的泄流能力，所以控制腔的压力不会出现明显下降；则，控制腔压力不会出现明显下降，进而阀芯实际上无法打开。所以，我们对控制腔供水管的要求是：既能保证在升压末端时刻使压力达到P1，又要在降压过程中不能过度补水使控制腔压力难以下降。鉴于上面的目的，我们在供水管路上设计了减压限流节点。具体的，对于PRV-1，是以针阀的形式来实现的。针阀保证了控制腔与供水端有足够的断面连通，又在控制腔泄压时，以局部损失的形式降低了供水端的供水压力，进而使控制腔可以顺利降压。从整体上来讲，上述所有的技术措施，在工程层面的表现就是：控制管路管径非常小，而且控制腔进水管有限流减压节点。

扩展1：上述讨论，其最核心的要点是系统的两种状态（以雨淋阀为研究对象），虽然上述论述并不是针对一个管道系统，但是我们仍然可以借用管道系统的两个状态描述方法：动态与静态。关于动态与静态的详细论述，请【点击这里】进行详细阅读。

扩展2：上述讨论，其实都是基于常见的阀门控制要求，即：以打开为主；至少，在反复启闭的过程中，对打开有要求。如果某种阀门以关闭为主，需要在很短的时间内可靠的关闭主阀芯，那么，控制腔供水管路完全可以采用大管径，并且取消限流减压节点（至少弱化其作用）；甚至于，隔膜与阀座的密封副可以采用不对称设计以加快阀芯的关闭速度。（扩展2为脑洞，但是对于理解阀门构型非常有帮助）

3 PRV-1型减压阀的工作原理

上述两个小节，我们只是针对雨淋阀构型的理论模型进行了一些通用部分的讨论。这一小节，我们针对PRV-1进行详细的讨论。既然PRV-1是基于雨淋阀构型的，那么，雨淋阀的通用模型对PRV-1肯定是适用的。在这里，我们重复下上篇推送中关于PRV-1的原理图。

通过此图与图2.2-1的对比，不难发现，两图的不同之处，主要有两处：

PRV-1将控制腔出水管连接至主管路出水端

PRV-1控制腔出水管的控制阀门改为一个小型的直接作用式切断阀门

显然，我们只要在雨淋阀通用模型的基础上，详细讨论PRV-1控制腔出水管的切断阀门的作用即可。

这里，我们把上篇推送中厂家给出的PRV-1减压阀的原理图，按本篇中所讨论的雨淋阀构型绘出，并将控制管路全部补齐，如下图所示：

根据上篇推送中的第3小节（可以【点击这里】进行阅读）的内容，PRV-1型减压阀共有四种典型的工况：阀芯打开、阀芯关闭、稳定流量下压力升高、稳定流量下压力下降。主管路的四种典型工作状态，从控制腔出水管的控制阀的角度，我们分为两类：控制作用和调节作用。控制作用方面，主阀芯打开与关闭的原理相同，区别仅在于调节方向相反；调节作用，主阀芯的动作原理相同，区别仅在于调节方向相反。在下面的讨论中，我们把控制腔出水管的控制阀称为“先导阀”。下面，详细讨论先导阀的控制作用和调节作用。

3.1 先导阀的工作原理（直接作用式减压阀的原理）

在讨论先导阀通过控制管路对主阀芯的作用之前，我们先来讨论一下先导阀本身的工作原理。先导阀的本体为直接作用式，并且PRV-1的先导阀为直接作用隔膜阀。此小节中讨论的问题即为直接作用式减压阀的工作原理。为此，将图3-1中先导阀节点独立出来，并单独给出一张详图如下：

先导阀关闭工况。该工况下，系统流量为零，P3=P1>P2。虽然进水管压力较大，但是在图3.1-1中不难发现，P2的作用面积为S2，P3=P1的作用面积仅为S3；由于S2>S3，所以出水腔在压力（严格来讲此处指压强）较低的情况下，仍然可以对下侧密封副产生向上的关闭趋势，使密封副结合紧密，在密封副上产生用以密闭的反力（暂时不考虑弹簧的预压缩）。

先导阀打开工况。当出水腔压力稍有下降时，阀芯并不会立即打开，但是密封副的反力会随着出水腔压力的降低而逐渐变小。阀芯处于打开的临界状态时，其节点判据是密封副反力为零（简化的理论模型考虑），此时，先导阀的各部件都不发生位移，其位置状态与关闭状态完全相同。临界点之后，若出水腔压力继续降低，则先导阀阀芯打开。

稳定流量下压力升高。当系统存在稳定的流量时，主阀芯和先导阀的阀芯均处于打开状态，即d>0，在此条件下，若出水腔压力小幅度升高，经先导阀隔膜的转化，将会使下侧密封副产生一个向上的位移，使d在不关闭的前提下稍微减小。进一步，对先导阀的进水产生限流作用，使先导阀的进水压力P3略有增大。

稳定流量下压力降低。调节原理与压力升高的工况相同，只是调整方向使d增大，进而P3的值有所降低。

3.2 先导阀作用下的主阀芯工况

对于主阀芯的工作情况，我们按照与先导阀工况一一对应的顺序来分析。主阀芯的原理图没有记住的，先往上翻，看一眼图3-1。

主阀芯关闭工况。该工况下，系统流量为零，P3=P1>P2。根据雨淋阀的基本模型，当P3=P1时，因出水腔侧的阀芯受力向下，而使主阀芯关闭。

主阀芯打开工况。当先导阀处于打开的临界状态时，即密封副反力为零的临界状态，若出水腔的压力仍然继续降低，先导阀密封副打开，控制管路产生流量。该流量经过控制管路针阀时，由于针阀的局部损失，使控制腔的实际压力P3<进水压力P1，进而主阀芯隔膜在进水腔侧受向上的作用力；若P3进一步小于P2，出水腔侧也会受到向上的作用力。在向上的作用力下，主阀芯打开。

稳定流量下压力升高。系统有稳定的流量，则主阀芯也处于打开状态。在3.1节中，我们已经得知，该种工况下，先导阀密封副的开启高度d会减小，从而使控制腔的实际压力P3升高。当控制腔压力升高时，隔膜必然会有向下的位移。隔膜向下后，会使主管道的过水断面变小，从而增大局部损失、减小实际流量，最终使得隔膜在一个新的位置达到平衡。

稳定流量下压力降低。与压力升高的原理相同，调节方向相反。主阀芯的开启高度会变大。

3.3 模型算例

在3.1与3.2节中，我们讨论的四种典型工况，从更大的范围来讲，都是稳态过程，虽然工况点的某些参数会发生一些少量变化，但是整体稳定。并且，我们所讨论的工况点，都不牵扯到相关部件的详细计算参数。在本小节中，我们将在不采用复杂的阀门设计公式，并对阀门部件模型做极其简化的前提下，尽可能真实的给出一个算例，让大家对阀门各部件的参数的动态变化有所了解。本小节中给出的算例，是从工程实用的角度反向验证阀门设计的某些参数，并非是正确的正向的阀门设计。

首先需要注意的是，本小节中，需要使用受力分析，因而，对本小节中的符号做特别说明。本小节中，物理学概念中的压强，以符号P表示，单位是帕（Pa）；物理学概念中，力（压力）的概念以符号F表示，单位是牛顿（N）。

其次，本小节中主要针对PRV-1的先导阀的密封副，在给出的算例中忽略机械运动的摩擦力，忽略各部件的重力。为了便于计算和理论分析，我们只讨论阀门严格关闭（开始）至恰好打开的临界点（结束）之间的部分，即系统流量为零、各部件都不发生机械位移，此时P3=P1。

最后，我们给出在本小节的算例中假定的具体参数。对于压强P，我们设定为供水压力P1=2a，出水压力要求为P2=a，减压比为2：1，此值在所有算例中保持一致。为了在最简单的条件下比较不同的减压阀部件对减压阀性能的影响，在算例中，我们仅假设先导阀的隔膜室的受力面积不同，即S2的面积不同；其中一个减压阀隔膜受力面积S2=4b，另一个减压阀隔膜的受力面积S2=10b。为了便于计算，先导阀的进水管面积统一定为b，即S3=b。在动态工况中，我们设定，当出水管压力降低至设定值的0.9倍时（即压力下降10%）主阀芯打开。密封副为了达到严格的密封状态，我们假设，当密封副的作用反力（压强）达到10a时，即认为是严格密封（此处假设反力压强是唯一影响因素）。相关符号的位置及说明，见图3.1-1。

在每个算例中，我们共考虑三种计算状态：阀芯打开的临界状态、系统流量为零的严格密封状态、进水管压力上升10%时。详细计算如下图所示：

上述算例只是给大家提供一个理解减压阀各部件动态工况下参数变化的理论算例。我们在密封副设计时，仅按零流量严格密封时考虑，所以，当进水侧压力上升10%时，两个减压阀的密封副反力均小于我们假定的严格密封反力值（10a）。虽然二者都下降了，但是第二个减压阀剩余的密封反力更大，其密封相对安全。

4 关于减压阀能不能减静压的结论

4.1 理论模型

在理论模型中，尤其是基于雨淋阀构型的PRV-1，由分析可知，当出水侧压力达到设定值P2后，可以及时、严密的关闭主阀芯，从而使供水侧压力不能传导至出水侧。所以，我们的结论是：理论模型可以减静压。

更进一步，我们必须认识到，在理论模型中，减压阀减静压，其本质是在出水侧压力达到设定值时，立刻切断供水水源（即阀芯关闭），使水流的流通通道关闭，进而阻止出水侧压力继续上升。而且，必然的，在理论模型中，我们认为阀门的控制管路及主管路是完全密封的，不会发生渗漏。

4.2 工程模型

在工程的实际运用中，首先，任何阀门都不可能做到在各个密封处绝对的不渗漏。其次，受到作用机理的限制，在出水端达到设定值时，主阀芯关闭是需要时间的。

对于减压阀阀体渗漏可能引起的下游管段的压力升高，我们应当认识到，在一般的民用建筑中，减压阀节点的渗漏量是比较小的（不同等级的减压阀有其渗漏量的限值），其下游管段本身亦存在渗漏量。当减压阀节点的渗漏量（以渗漏速率计）小于下游管段的总渗漏量（以渗漏速率计）时，对整个下游管段而言，仍然处于亏水的状态，下游管段的压力将不可避免的下降至减压阀的开启压力，并最终打开减压阀主阀芯为下游管段补水。只有当减压阀的下游管段容积非常小、密封性非常高时，才需要关注减压阀本身的渗漏。

对于主阀芯关闭所需要的时间，我们可以把这种现象统称为阀门关闭的时延。显然，如果阀门关闭时延过大，上游供水端的高压水进入下游，会引起下游管段的压力升高；如果阀门开启时延过大，下游得不到上游的流量补充，会引起游管段的压力过度降低。减压阀这种由于动作时延引起的压力波动，能否满足要求，显然需要根据具体的情况进行判断。

对于工程模型，我们的结论是：减压阀可以在较大的范围内减小静压，但不一定满足使用要求。

4.3 特例：比例式减压阀

在本篇的第2节、第3节中，我们不难发现，PRV-1型减压阀，其本质是先导型减压阀；PRV-1减压阀的先导阀是膜片式直接作用型减压阀。上述两种基本构型的减压阀，在实际的工程运用中，其效果是可以令人满意的。亦即，其阀体的渗漏以及动作时延，都可以满足工程的实际需要。但是，实际运用中，对于比例式减压阀，我们有必要特别强调一下。

先来引用一下《2009全国民用建筑工程设计技术措施-给水排水》

2.5.11 给水管网的压力高于配水点允许的最高使用压力时，应设置减压阀；减压阀的配置应符合下列要求：

1 用于给水分区的减压阀应采用既减动压又减静压的减压阀。

2 阀后压力允许波动时，宜采用比例式减压阀；阀后压力要求稳定时，宜采用可调式减压阀；生活给水系统宜采用可调式减压阀。

4 选用减压阀时必须选取在汽蚀区以外，避免减压阀出现汽蚀现象。比例式减压阀的减压比不宜大于3：1，可调式减压阀的阀前与阀后的最大压差不应大于0.4MPa，要求环境安静的场所不应大于0.3MPa；阀前最低压力应大于阀后动压力0.2MPa。可调式减压阀，当公称直径小于等于50mm时，宜采用直接式；公称直径大于50mm时宜采用先导式。

5 减压阀应根据阀前压力及阀后所需压力和管道所需输送的流量按照制造厂家提供的特性曲线选定阀门直径。比例式减压阀，应按设计秒流量在减压阀流量一压力特性曲线的有效段内选用。减压阀的公称直径宜与管道管径相同。减压阀出口端连接的管道其管径不应缩小，且管道直线长度应不小于5倍公称直径。在设计图纸上应标明减压阀的规格、型号和减压比(或阀前、后的压力)。

8 当单组减压阀不能达到减压要求或会造成减压阀出现汽蚀现象时，应采用串联方式。两个减压阀串联时，中间应设长度为3倍公称直径的短管；当不同类型的减压阀串联时，比例式减压阀在前，可调式减压阀在后。比例式减压阀串联一般不宜多于二级。

上述条文，简单来讲，从反面证明了比例式减压阀在使用过程中，其参数不容易精确控制，过大的波动范围有可能对使用造成比较大的影响。从本质来讲，比例式减压阀的这些缺点，都与4.2节中所述的两个因素相关，简单来讲，就两个大字：渗漏大、时延大。在这里，我们帖一张比例式减压阀的结构简图。

比例式减压阀，在这里，限于篇幅就不做详细分析了，但是，对于比例式减压阀，我们给出几个方面的简单论述：

比例式减压阀，其阀体结构中，最重要的部件是O形密封圈。O形密封圈在提供密封的同时，也产生了主阀芯前后运动时的阻力。

在密封的角度，希望O形密封圈与阀体和阀芯的结合越紧密越好。

O形密封圈产生的阻力（本质为摩擦阻力）在阀芯打开时，阻碍阀芯打开；在阀芯关闭时，阻碍阀芯关闭。由于摩擦力的上述特性，从减小动作时延的角度，要求O形密封圈的摩擦阻力越小越好。

比例式减压阀在O形密封圈组装完成后，很难在现场精确调节。请注意两个关键词：现场、精确。

对于比例式减压阀的上述特性，我们反观以PRV-1为例的先导式减压阀，应当充分的认识到下面两个要点：

PRV-1控制管路上的针阀，在起到限流减压的同时，通过出厂前调整其孔隙参数，可以消除由于加工、装配误差引起的水力工况偏差。

先导阀的调整弹簧，可以大范围的在现场精确调整减压阀的阀后压力。

4.4 拾遗与捡漏

在本篇推送中，我们讨论的PRV-1型减压阀，其主阀芯的密封副是由隔膜与金属组成；国内的很多减压阀的主阀芯两个密封面均为金属，在理解了雨淋阀构型的PRV-1型减压阀的原理的基础上，上述减压阀型式的具体工作原理完全相同，在此不再过多解释。

本篇3.3节的算例中，直接以进出水口的压力代替了减压阀部件正向详细设计中，各部件所取的计算压力，这个是不严谨的。各种阀门阀体及组件的设计中，都有严格的参数取值，具体的参数取值请参照相关阀门设计手册。

本篇推送中，对于减压阀在工程运用中的计算参数，减压阀选所需依据的性能参数曲线，一个字也没有涉及。但是，作者相信，由于计算参数而引起的争论，在原理层面做出了解释之后，虽然不一定能够完整、准确的解决问题，但是争论已经不成为一个争论了。这个就是本文最重要的目的。

此外，作为消防领域，以雨淋阀为基本构型，TYCO已经推出了DV-5a型的雨淋阀，其各个阀室采用了不同的流道与控制。有兴趣的读者可以自行研究。