Page 41 - 2022年第53卷第4期

超过导阀开启的临界压力水头 H ，即 H >H ，则导
cri
P
cri
阀弹簧受导阀控制腔水压（主阀进口水压或者输水干 导阀弹簧
导阀隔膜 导阀控制腔
管水压）作用压缩，导阀止回阀向上运动瞬时全开，
导阀止回阀
致使上腔水压迅速降低，这时主阀阀瓣在进口水压
的作用下迅速向上运动，主阀开启，迫使上腔水体 针阀
Q S 泄水管
通过上腔管与进水管来流汇合后一起通过导阀止回 取样管 A
进水管
阀-泄水管迅速排出，同时，随着主阀的开启，输水 Q P 上腔管
Y 型过滤网
干管水体通过主阀孔口被泄放到外界，以避免干管 Q u
Y
水压超过设计限制。当 H ≤H 时，导阀弹簧伸展复 活塞
P
cri
位，导阀止回阀向下运动瞬时全关，然后，主阀进 密封 上腔
主阀弹簧 q
口液体通过进水管-上腔管流入上腔，使上腔水压迅 下腔
Q
速增加，迫使主阀阀瓣在活塞面水压+弹簧力+重力 检修阀 缓冲孔
的作用下向下缓慢运动，直到完全关闭。若在主阀
关闭过程中 H >H ，则导阀重新开启，使主阀停止 H 2
P
cri
H P=H 1-Z 1
关闭，重新增大主阀开度，防止干管压力持续升高。
［6］
笔者 的研究证明，当在泄压阀的设计中取活塞 主阀阀瓣
的直径等于主阀阀瓣的直径，则导阀关闭时作用在活
图 1 典型先导式泄压阀工作原理
塞和主阀瓣上的水压力相互抵消。实际上，目前国内
外先导活塞式泄压阀基本上是这样设计的。当导阀关闭时，主阀在弹簧力+重力的作用下缓慢的关闭。
导阀止回阀行程通常很小，小于 1 cm，开启和关闭的时间过程可视为瞬间完成，因此可视导阀
为 0-1 系统，只存在两种状态：完全关闭和完全开启。
泄压阀主阀开度 y 是时间 t 的函数，y=y（t）。由于在计算时间步长Δt 内开度 y 的增加或减小受阀前
水压 H 控制，因此 y 与 H 的关系可用下述递进模型描述，
P
P
y = y 0 + u 0 Δt：H P > H cri ，0 < y ≤ 1 （7）
y = y 0 + v 0 Δt：H P ≤ H cri ，0 ≤ y ≤ 1 （8）
式中：H =H -Z；u 0 为时刻t 0 泄压阀主阀开启的速率，u 0 = dy ( ) dt ≥ 0；v 0 为时刻 t 泄压阀主阀关闭
P
t 0
0
1
的速率，v 0 = dy ( ) dt < 0；下标“0”为时刻t 0 。计算时间步长Δt 与输水系统水力瞬变计算的时间步长
t 0
一致。
对于先导活塞式泄压阀，主阀关闭过程几乎不受水压变化的影响，而主阀开启的运动是受水压影
［6］
［6］
响的 。不过，由于主阀开启或关闭连续运动的开度与时间的关系呈近似线性关系 ，因此，可假设
（9）
u 0 = 1 T open ，v 0 = -1 T close
式中：T 为泄压阀主阀从全关到线性全开的理论时间，s；T 为泄压阀主阀从全开到线性全关的
open close
理论时间，s。
需要说明的是，由于先导式泄压阀的启闭是水力自控的，在主阀开启或关闭的过程中水压会在
H 附近波动，即主阀在开启或关闭的过程中阀门的关闭过程不会总是连续运动的，所以实际的开启
cri
时间和关闭时间与 T 和 T 存在较大差异，这一点将在后面的算例中说明。
open close

4 先导式泄压阀水力瞬变的计算机仿真

先导式泄压阀水力瞬变计算机仿真的实质就是数值模拟导阀和主阀响应水压变化的动作过程，
包括：预测下一步水压大小，导阀的启闭，然后根据主阀开度现有状态，以确定下一步主阀动作方
向，诸如开启、不动作或者关闭。
在一般情况下，水击特征线方法的Δt 较小，可以认为导阀在Δt 范围内不会发生启闭交替现象，

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