第4章__水擊和調節(jié)保證計算

1、第五章第五章 水擊和調節(jié)保證計算水擊和調節(jié)保證計算5.1 調節(jié)保證計算的任務調節(jié)保證計算的任務5.2 水擊現象水擊現象 5.3 水擊的基本方程與邊界條件水擊的基本方程與邊界條件5.4 簡單管道水擊計算簡單管道水擊計算5.5 復雜管道水擊計算復雜管道水擊計算5.6 水擊壓力計算標準水擊壓力計算標準5.7 機組轉速變化計算機組轉速變化計算5.8 水擊的危害及改善調節(jié)保證的措施水擊的危害及改善調節(jié)保證的措施5.1 調節(jié)保證計算的任務調節(jié)保證計算的任務5.1.1問題的提出問題的提出q水電站運行工況水電站運行工況v穩(wěn)定工況穩(wěn)定工況：當負荷不變，流量不變，水電站的出力：當負荷不變，流量不變，水電站的出力也

2、不變的工作狀態(tài)。這時，轉速為額定轉速，發(fā)電也不變的工作狀態(tài)。這時，轉速為額定轉速，發(fā)電頻率為頻率為50HZ。v不穩(wěn)定工況不穩(wěn)定工況：由于負荷的變化而引起導水葉開度、：由于負荷的變化而引起導水葉開度、水輪機流量、水電站水頭、機組轉速的變化，稱為水輪機流量、水電站水頭、機組轉速的變化，稱為水電站的不穩(wěn)定工況。水電站的不穩(wěn)定工況。引起水輪機流量變化的兩種情況引起水輪機流量變化的兩種情況v水電站正常運行情況下的負荷變化水電站正常運行情況下的負荷變化。擔任峰荷或調。擔任峰荷或調頻任務的電站，水輪機的流量處于不斷變化中；正頻任務的電站，水輪機的流量處于不斷變化中；正常的開機或停機。常的開機或停機。v水電站

3、事故引起的負荷變化水電站事故引起的負荷變化。水電站可能會各種各。水電站可能會各種各樣的事故，可能要求水電站丟棄全部或部分負荷。樣的事故，可能要求水電站丟棄全部或部分負荷。這是水電站水錘計算的控制條件。這是水電站水錘計算的控制條件。 幾個概念幾個概念q瞬變現象瞬變現象 由于電能通常不能以其本身的方式大量儲存，由于電能通常不能以其本身的方式大量儲存，所以電能的生產、分配和消費必須在同一時間內所以電能的生產、分配和消費必須在同一時間內進行，即從發(fā)電到用電形成一個均衡的系統(tǒng)。一進行，即從發(fā)電到用電形成一個均衡的系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)的均衡性被破壞，從而引起物理量的急劇旦系統(tǒng)的均衡性被破壞，從而引起物理量的急劇

4、變化（瞬變現象），通過系統(tǒng)調整，系統(tǒng)再達到變化（瞬變現象），通過系統(tǒng)調整，系統(tǒng)再達到新的均衡狀態(tài)。整個系統(tǒng)調整達到新均衡態(tài)的過新的均衡狀態(tài)。整個系統(tǒng)調整達到新均衡態(tài)的過程叫程叫過渡過程過渡過程。q瞬變是水電站水力系統(tǒng)的非恒定流穩(wěn)態(tài)。瞬變是水電站水力系統(tǒng)的非恒定流穩(wěn)態(tài)。瞬變響應過程瞬變響應過程負荷變化機組轉速變化水頭變化導葉開度變化引水道流量變化機組效率變化機組出力變化滿足新負荷要求水電站的不穩(wěn)定工況表現形式水電站的不穩(wěn)定工況表現形式 1.引起機組轉速的較大變化引起機組轉速的較大變化l丟棄負荷：剩余能量丟棄負荷：剩余能量增加機組轉動部分動能增加機組轉動部分動能機組轉速升高機組轉速升高影響供電質量

5、影響供電質量l增加負荷：與丟棄負荷相反。增加負荷：與丟棄負荷相反。2.在無壓引水系統(tǒng)在無壓引水系統(tǒng)(渠道、壓力前池）中產生水位波動現象。渠道、壓力前池）中產生水位波動現象。 3.在有壓引水管道中發(fā)生在有壓引水管道中發(fā)生“水錘水錘”現象現象l管道末端關閉管道末端關閉管道末端流量急劇變化管道末端流量急劇變化管道中流速和壓力隨管道中流速和壓力隨之變化之變化“水錘水錘”。l導葉關閉時，在壓力管道和蝸殼中將引起壓力上升，尾水管中導葉關閉時，在壓力管道和蝸殼中將引起壓力上升，尾水管中則造成壓力下降。則造成壓力下降。l導葉開啟時則相反，將在壓力管道和蝸殼內引起壓力下降，而導葉開啟時則相反，將在壓力管道和蝸殼

6、內引起壓力下降，而在尾水管中則引起壓力上升。在尾水管中則引起壓力上升。f(50HZ)=pn/605.1.2 調節(jié)保證計算的任務調節(jié)保證計算的任務q水輪機調節(jié)水輪機調節(jié) 為適應負荷變化，導葉應改變開度以調節(jié)流量。關閉和開啟導葉會為適應負荷變化，導葉應改變開度以調節(jié)流量。關閉和開啟導葉會引起：引起：1.壓力管道中流速的變化，壓力的波動。周期性波動的壓力作壓力管道中流速的變化，壓力的波動。周期性波動的壓力作用于管道稱為用于管道稱為水擊水擊。導葉關閉的時間越短，產生的水擊壓力越大。大。導葉關閉的時間越短，產生的水擊壓力越大。大的水擊壓力不僅會增大管道的投資，嚴重時還可造成管道的破壞；的水擊壓力不僅會增

7、大管道的投資，嚴重時還可造成管道的破壞；2.導葉關閉的時間短卻有利于盡快消除機組的不穩(wěn)定狀態(tài)，以保證轉速導葉關閉的時間短卻有利于盡快消除機組的不穩(wěn)定狀態(tài)，以保證轉速及時回歸到額定轉速，從而保證發(fā)電質量。及時回歸到額定轉速，從而保證發(fā)電質量。 綜上，水擊壓力的變化和轉速變化對水輪機調節(jié)的要求是矛盾的。綜上，水擊壓力的變化和轉速變化對水輪機調節(jié)的要求是矛盾的。q調節(jié)保證計算的概念調節(jié)保證計算的概念 為檢驗調節(jié)過程中機組轉速變化及水壓力變化是否滿足要求的計為檢驗調節(jié)過程中機組轉速變化及水壓力變化是否滿足要求的計算叫算叫調節(jié)保證計算調節(jié)保證計算。5.1 調節(jié)保證計算的任務調節(jié)保證計算的任務q 調節(jié)保證

8、計算的任務調節(jié)保證計算的任務 根據水電站壓力引水系統(tǒng)和水輪發(fā)電機的特性，合理選根據水電站壓力引水系統(tǒng)和水輪發(fā)電機的特性，合理選擇調速器的調節(jié)時間和調節(jié)規(guī)律，進行水擊壓力和機組轉速擇調速器的調節(jié)時間和調節(jié)規(guī)律，進行水擊壓力和機組轉速變化值的計算，使二者均在允許范圍內。變化值的計算，使二者均在允許范圍內。 具體任務具體任務:v計算過水系統(tǒng)最大和最小水壓力；計算過水系統(tǒng)最大和最小水壓力；v計算丟棄和增加負荷時機組轉速的變化值，檢驗其是否在允計算丟棄和增加負荷時機組轉速的變化值，檢驗其是否在允許范圍內；許范圍內；v研究減小水擊壓力和機組轉速變化的措施；研究減小水擊壓力和機組轉速變化的措施；v合理選擇調

9、速器的調節(jié)時間和調節(jié)規(guī)律。合理選擇調速器的調節(jié)時間和調節(jié)規(guī)律。5.2 水擊現象水擊現象5.2.1 水擊現象水擊現象關閉閥門后關閉閥門后,時間時間tq0L/a: 升壓波，由閥門向升壓波，由閥門向水庫傳播，水庫為異號等水庫傳播，水庫為異號等值反射。值反射。qL/a2L/a: 降壓波，由水降壓波，由水庫向閥門傳播，閥門為同庫向閥門傳播，閥門為同號等值反射。號等值反射。q2L/a3L/a: 降壓波，閥門降壓波，閥門水庫水庫q3L/a4L/a: 升壓波，水庫升壓波，水庫閥門閥門時段時段t速度變化速度變化v運動方向運動方向壓強變化壓強變化H波傳播方波傳播方向向液體狀態(tài)液體狀態(tài)【0，L/a)v00DAHA

10、D壓縮壓縮【L/a,2L/a)0- v0A D0DA恢復原狀恢復原狀【2L/a,3L/a)-v00A D- HA D膨脹膨脹【3L/a,4L/a)0 v0DA0DA恢復原狀恢復原狀 水擊過程運動特征（水擊過程運動特征（TS=0)5.2.2 水錘特性水錘特性q水錘壓力實際上是由于水流速度變化而產生的水錘壓力實際上是由于水流速度變化而產生的慣性力。慣性力。當突然啟閉閥門時，由于啟閉時間短、當突然啟閉閥門時，由于啟閉時間短、流量變化快，因而水錘壓力往往較大，而且整流量變化快，因而水錘壓力往往較大，而且整個變化過程是較快的。個變化過程是較快的。q由于管壁具有彈性和水體的壓縮性，水錘壓力由于管壁具有彈性

11、和水體的壓縮性，水錘壓力將以將以彈性波彈性波的形式沿管道傳播。摩擦阻力的存的形式沿管道傳播。摩擦阻力的存在造成能量損耗，水錘波將逐漸衰減。在造成能量損耗，水錘波將逐漸衰減。水錘特性水錘特性q水錘波同其它彈性波一樣，在波的傳播過程中，水錘波同其它彈性波一樣，在波的傳播過程中，在外部條件發(fā)生變化處在外部條件發(fā)生變化處(即即邊界邊界處處)均要發(fā)生波的均要發(fā)生波的反射。其反射特性反射。其反射特性(指反射波的數值及方向指反射波的數值及方向)決定決定于邊界處的物理特性。于邊界處的物理特性。q注：水錘波在管中傳播一個來回的時間注：水錘波在管中傳播一個來回的時間tr=2L/c，稱之為稱之為“相相”，兩個相為一

12、個，兩個相為一個周期周期2tr=T。q閥門閥門A處最先產生水擊波，反射波又最后到達該處最先產生水擊波，反射波又最后到達該處，其保持最大壓力時間最長，故該處受水擊危處，其保持最大壓力時間最長，故該處受水擊危害也最大。害也最大。5.3 5.3 水錘基本方程和邊界條件水錘基本方程和邊界條件一一. 水擊基本方程水擊基本方程1.水擊計算的假定：水擊計算的假定：q水流是無粘性流體，即不考慮水的摩擦力。水流是無粘性流體，即不考慮水的摩擦力。q水流是一元流。水流是一元流。q壓力管道是壓力管道是簡單管道。簡單管道。即管道的材料、壁厚和直徑均即管道的材料、壁厚和直徑均沿程不變。沿程不變。q2.水擊基本方程水擊基本

13、方程q如圖，當如圖，當x軸改為取閥門端為原點，向上游為正軸改為取閥門端為原點，向上游為正時時，根據，根據水力學水力學推得的推得的水擊基本方程水擊基本方程tVxHgxVgatH2上述基本方程的通解：上述基本方程的通解： H=H-H0=F(t-x/c)+f(t+x/c) V=V-V0=-g/cF(t-x/c)-f(t+x/c) 注：注：F和和f為兩個波函數，量綱與水頭為兩個波函數，量綱與水頭H相同，故可相同，故可視為壓力波。視為壓力波。波函數由管道上下游邊界條件求的。波函數由管道上下游邊界條件求的。qF(t-x/c)為逆水流方向移動的壓力波，稱為逆流波；為逆水流方向移動的壓力波，稱為逆流波；qf(

14、t+x/c)為順水流方向移動的壓力波，稱為順流波。為順水流方向移動的壓力波，稱為順流波。q 任何斷面任何時刻的水錘壓力值等于兩個方向相反任何斷面任何時刻的水錘壓力值等于兩個方向相反的壓力波之和；而流速值為兩個壓力波之差再乘以的壓力波之和；而流速值為兩個壓力波之差再乘以g/c。3. 水擊波的傳播速度水擊波的傳播速度000222211435/ ./;/;/;/aaK DEaam sN mN mN mN m810109水擊波的傳播速度其中：是聲波在水中的傳播速度。 是管壁厚度(m);D是管道直徑(m);K是水的體積彈性系數。K=19.6 10E是管壁材料的彈性系數。對鑄鐵管，E=9.8 10對鋼管，

15、E=19.6 10對鋼筋混凝土管，E=19.6 10。q在缺乏資料的情況下，近似取值為：露天鋼管的水錘波速a1000m/s；埋藏式鋼管的水錘波速a1200m/s；鋼筋混凝土管可取a 900m/s1200m/s。二、水錘的邊界條件二、水錘的邊界條件 求解水錘的基本方程，需要利用邊界條件和初求解水錘的基本方程，需要利用邊界條件和初始條件。始條件。 (一一) 起始條件起始條件 把恒定流的終了時刻看作為非恒定流的開始時把恒定流的終了時刻看作為非恒定流的開始時刻?？?。 即當即當t=0時，管道中任何斷面的流速時，管道中任何斷面的流速V=V0； 如不計水頭損失，如不計水頭損失，水頭水頭H=H0。 (二二)

16、邊界條件邊界條件 1管道進口管道進口 管道進口處一般指水庫或壓力前池：管道進口處一般指水庫或壓力前池： B=H/H0=0 2分岔管與調壓室分岔管與調壓室 (1) 分岔處的水頭應該相同：分岔處的水頭應該相同： Hp1=Hp2=Hp3=Hp (2) 分岔處的流量應符合連續(xù)條件分岔處的流量應符合連續(xù)條件 Q=0 (3) 分岔管的封閉端，流量為分岔管的封閉端，流量為0，即，即Q=0。 3. 水輪機水輪機 (1) 水斗式水輪機噴嘴的邊界條件為：水斗式水輪機噴嘴的邊界條件為：(孔口出孔口出流規(guī)律流規(guī)律)(各個量都用相對值表示各個量都用相對值表示) 稱為相對開度；稱為相對開度；max噴噴嘴全開時斷面積。嘴全

17、開時斷面積。 為任意時刻水錘壓力相對值。為任意時刻水錘壓力相對值。 為任意時刻相對流速。為任意時刻相對流速。1vmaxii0/HHimax/VVv 0max0max2gHQ)(20HHgQiiv反擊式水輪機邊界條件。反擊式水輪機邊界條件。 反擊式水輪機的特點：反擊式水輪機的特點：水輪機有蝸殼、導水葉、水輪機有蝸殼、導水葉、尾水管等，出流特性與孔口完全不同。尾水管等，出流特性與孔口完全不同。 水輪機水輪機的轉速與水輪機的流量相互影響。的轉速與水輪機的流量相互影響。流量的改變流量的改變不僅在壓力管道中，而且在蝸殼、尾水管中也產不僅在壓力管道中，而且在蝸殼、尾水管中也產生水錘。生水錘。 由此可見，反

18、擊式水輪機的過水能力與水頭、導由此可見，反擊式水輪機的過水能力與水頭、導葉開度、轉速等有關，所以在水錘計算中需要綜葉開度、轉速等有關，所以在水錘計算中需要綜合運用管道水錘方程、水輪機運轉特性曲線、水合運用管道水錘方程、水輪機運轉特性曲線、水輪機轉速方程進行求解，輪機轉速方程進行求解，比較復雜，故常常簡化比較復雜，故常常簡化。5.4 5.4 簡單管道水擊計算的解析法簡單管道水擊計算的解析法q5.4.1水擊分類水擊分類q5.4.2水擊的連鎖方程水擊的連鎖方程q5.4.3開度依時間變化為直線變化時的水擊壓力開度依時間變化為直線變化時的水擊壓力q5.4.4開度變化規(guī)律對水擊壓力的影響開度變化規(guī)律對水擊

19、壓力的影響q5.4.5水擊壓強沿水管長度的分布水擊壓強沿水管長度的分布q5.4.6 水擊計算算例水擊計算算例5.4.1 水擊分類水擊分類v直接水擊直接水擊 若閥門關閉時間若閥門關閉時間Ts2L/a時，反射回來的水擊時，反射回來的水擊波未到達閥門時閥門已關閉，這種水擊稱為直接水波未到達閥門時閥門已關閉，這種水擊稱為直接水擊。擊。v間接水擊間接水擊 若閥門關閉時間若閥門關閉時間Ts2L/a時，反射回來的水擊時，反射回來的水擊波未到達閥門時閥門尚未完全關閉，負的水擊壓強波未到達閥門時閥門尚未完全關閉，負的水擊壓強與閥門繼續(xù)關閉產生的正水擊壓強相疊加，使管中與閥門繼續(xù)關閉產生的正水擊壓強相疊加，使管中

20、最大水擊壓強減小，這種水擊稱為間接水擊。最大水擊壓強減小，這種水擊稱為間接水擊。5.4.1 水擊類型水擊類型1、直接水錘、直接水錘q如果水輪機調節(jié)時間如果水輪機調節(jié)時間Ts2L/c，則水庫反射波，則水庫反射波回到閥門之前開度變化已經結束，閥門處只回到閥門之前開度變化已經結束，閥門處只受開度變化直接引起的水錘波的影響受開度變化直接引起的水錘波的影響稱稱為為直接水錘直接水錘q計算直接水錘壓力的公式：計算直接水錘壓力的公式：)(a00VVgHHH (1) 當閥門關閉時，管內流速減小，當閥門關閉時，管內流速減小，V-V00，H為負，產生負水錘。為負，產生負水錘。 (2) 直接水錘壓力值的大小只與流速變

21、化直接水錘壓力值的大小只與流速變化(V-V0)的絕對值和水管的水錘波速的絕對值和水管的水錘波速a有關，而與開度有關，而與開度變化的速度、變化規(guī)律和水管長度無關。變化的速度、變化規(guī)律和水管長度無關。q算例算例：設：設V0=5m/s，a=1000m/s(露天鋼管），露天鋼管），則丟棄全負荷時則丟棄全負荷時H=510m?？梢娭苯铀N要?？梢娭苯铀N要絕對避免。絕對避免。)(a00VVgHHH2、間接水錘、間接水錘q如果水輪機調節(jié)時間如果水輪機調節(jié)時間Ts2L/c，則開度變化結束，則開度變化結束之前水庫反射波已經回到閥門處，閥門處的水之前水庫反射波已經回到閥門處，閥門處的水錘壓力由向上游傳播的錘壓力由

22、向上游傳播的F波和向下游傳播的波和向下游傳播的f波波相疊加而成相疊加而成稱為稱為間接水錘間接水錘。q間接水錘的計算比直接水錘復雜得多。間接水錘的計算比直接水錘復雜得多。q間接水錘是水電站經常發(fā)生的水錘現象，也是間接水錘是水電站經常發(fā)生的水錘現象，也是我們的主要研究對象。我們的主要研究對象。5.4.2 水錘的連鎖方程水錘的連鎖方程q若已知斷面若已知斷面A在時刻在時刻 t 的壓力為的壓力為HtA，流速為，流速為VtA ，兩，兩個通解消去個通解消去 f 后，得：后，得：q同理可寫出時刻同理可寫出時刻t=L/c后后B點的壓力和流速的關系：點的壓力和流速的關系：)(2)(00cxtFVVgcHHAtAt

23、)(2)(00cLxttFVVgcHHBttBttq由于由于F(t+t)-(x+L)/c=Ft-x/c，由上述二式得，由上述二式得水擊連鎖方程。水擊連鎖方程。q連鎖方程給出了連鎖方程給出了水錘波在一段時間內通過兩個斷水錘波在一段時間內通過兩個斷面的壓力和流速的關系面的壓力和流速的關系。AtBttAtBttVVgcHHBtAttBtAttVVgcHHq水擊連鎖方程用相對值來表示為：水擊連鎖方程用相對值來表示為：q式中式中 為管道特性（斷面）系數；為管道特性（斷面）系數； 為水擊壓力相對值；為水擊壓力相對值； 為管道相對流速。為管道相對流速。)(2BttAtBttAtvv)(2AttBtAttBt

24、vv000HHHHHi0VVv 002gHaVq由上面的連鎖方程可以寫出第一相末、第二相由上面的連鎖方程可以寫出第一相末、第二相末、第末、第n相末的的水錘壓力相末的的水錘壓力(是閥門的開度是閥門的開度) ：q .q利用上面的公式，可以依次求出各相末閥門處利用上面的公式，可以依次求出各相末閥門處的水錘壓力，得出水錘壓力隨時間的變化關系。的水錘壓力，得出水錘壓力隨時間的變化關系。2/11011AA2/1210222/11110nniiinnq上面是閥門關閉情況，當閥門或導葉開啟時，上面是閥門關閉情況，當閥門或導葉開啟時，管道中產生負水錘，其相對值用管道中產生負水錘，其相對值用y表示，用同表示，用同

25、樣的方法可求出各相末計算公式。樣的方法可求出各相末計算公式。q計算公式的條件計算公式的條件(1) 沒有考慮管道摩阻影響，因此只適用于不計摩阻的情沒有考慮管道摩阻影響，因此只適用于不計摩阻的情況；況；(2) 采用了孔口出流的過流特性，采用了孔口出流的過流特性，只適用于沖擊式水輪機只適用于沖擊式水輪機，對反擊式水輪機必須另作修正；對反擊式水輪機必須另作修正；(3) 這些公式在這些公式在任意開關規(guī)律任意開關規(guī)律下都是正確的，可以用來分下都是正確的，可以用來分析非直線開關規(guī)律對水錘壓力的影響。析非直線開關規(guī)律對水錘壓力的影響。 5.4.3開度依時間變化為直線變化時的水擊開度依時間變化為直線變化時的水擊

26、1、有效關閉時間、有效關閉時間q總關閉時間為總關閉時間為Tz。q將閥門關閉過程的直線段將閥門關閉過程的直線段適當延長，作為有效關閉適當延長，作為有效關閉時間時間Ts。q缺乏資料時，可取缺乏資料時，可取Ts=0.7Tzq在開度依直線規(guī)律變化時，在開度依直線規(guī)律變化時，不必用連鎖方程求出各相不必用連鎖方程求出各相末水錘，可用簡化方法直末水錘，可用簡化方法直接求出。接求出。閥門全開0=1.0閥門直線關閉規(guī)律t=1-t/Ts 或t= 0-2L/aTs q第一類：第一類：當當 1時，最大水時，最大水錘壓力出現在第一相以后的某一錘壓力出現在第一相以后的某一相，其特點是最大水錘壓力接近相，其特點是最大水錘壓

27、力接近極限值極限值 ，即，即 ，稱為極，稱為極限水錘。限水錘。q注：第一相水注：第一相水錘錘是高水頭電站的是高水頭電站的特征；極限水特征；極限水錘錘常發(fā)生在低水頭常發(fā)生在低水頭水電站上。水電站上。 00AA1maxm1m2、間接水錘的兩種類型及判別（近似）、間接水錘的兩種類型及判別（近似）水錘類型的水錘類型的準確判別條件準確判別條件0.01.62.0-1.2-0.8-0.40.01.6-m 11I mm 1IIdIII1IVyymmyy 1V0直接水擊第一相水擊極限相水擊正水擊負水擊STgHLV00管道特性系數水擊類型判別圖應用水擊類型判別圖應用qI區(qū)為極限

28、正水錘；區(qū)為極限正水錘；II為第一相正水錘；為第一相正水錘； III為直接水錘；為直接水錘； IV為極限負水錘；為極限負水錘；V為第一相負水錘；為第一相負水錘； q簡單判別方法簡單判別方法：q 1.5時，常發(fā)生極限水錘；時，常發(fā)生極限水錘；q1.0 1.5時，則隨時，則隨值的不同而發(fā)生第一相或極限水值的不同而發(fā)生第一相或極限水錘，個別情況下發(fā)生直接水錘。錘，個別情況下發(fā)生直接水錘。按圖判別。按圖判別。q僅用僅用 大于還是小于大于還是小于1作為判別水錘類型的條件是近似的。作為判別水錘類型的條件是近似的。水錘類型除與水錘類型除與 有關，還與有關，還與有關。有關。00000第一相水錘計算的簡化公式第

29、一相水錘計算的簡化公式 q關閉閥門時關閉閥門時 q開啟閥門時開啟閥門時 注：壓力管道特性系數注：壓力管道特性系數 0112A0112Ay3. 開度依直線變化的水錘簡化計算開度依直線變化的水錘簡化計算sTgHLV00(2) 極限水錘計算簡化公式極限水錘計算簡化公式q當水錘壓強當水錘壓強0.5時，可得到更為簡化的近似公時，可得到更為簡化的近似公式：式： 422Am22Am22Amy5.4.4開度變化規(guī)律對水錘壓力的影響開度變化規(guī)律對水錘壓力的影響 q閥門啟閉時間相同，但啟閉規(guī)律不同，水錘壓閥門啟閉時間相同，但啟閉規(guī)律不同，水錘壓強變化過程也不相同強變化過程也不相同(見下幀圖）。見下幀圖）。q曲線曲

30、線表示開始階段關閉速度較快，因此水錘表示開始階段關閉速度較快，因此水錘壓強迅速上升到最大值，而后關閉速度減慢，壓強迅速上升到最大值，而后關閉速度減慢，水錘壓強逐漸減??；曲線水錘壓強逐漸減?。磺€的規(guī)律與曲線的規(guī)律與曲線相相反，關閉速度是先慢后快，而水錘壓強是先小反，關閉速度是先慢后快，而水錘壓強是先小后大。后大。導葉的關閉規(guī)律導葉的關閉規(guī)律tr直線（均勻）直線（均勻）先快后慢先快后慢先慢后快先慢后快不同導葉關閉規(guī)律對水錘壓力的影響不同導葉關閉規(guī)律對水錘壓力的影響直線（均勻）直線（均勻）先快后慢先快后慢先慢后快先慢后快q水錘壓強的上升速度與閥門的關閉速度成正比，水錘壓強的上升速度與閥門的關閉速度

31、成正比，最大壓強出現在關閉速度較快的那一時段末尾。最大壓強出現在關閉速度較快的那一時段末尾。q從圖可看出，從圖可看出，關閉規(guī)律關閉規(guī)律較為合理，最不利的是較為合理，最不利的是規(guī)律規(guī)律。q在高水頭電站中常發(fā)生第一相水錘，可以采取先在高水頭電站中常發(fā)生第一相水錘，可以采取先慢后快的非直線關閉規(guī)律，以降低第一相水錘值；慢后快的非直線關閉規(guī)律，以降低第一相水錘值；q在低水頭水電站中常發(fā)生極限水錘，可采取先快在低水頭水電站中常發(fā)生極限水錘，可采取先快后慢的非直線關閉規(guī)律，以降低末相水錘值。后慢的非直線關閉規(guī)律，以降低末相水錘值。q原理原理 先求閥門、進口處水擊壓力，再根據連鎖方先求閥門、進口處水擊壓力，

32、再根據連鎖方程可求出管道中間任意斷面的水擊壓力。程可求出管道中間任意斷面的水擊壓力。q規(guī)律規(guī)律 水擊類型水擊類型 (直接水擊、間接水擊第一相水擊、直接水擊、間接水擊第一相水擊、間接水擊極限水擊間接水擊極限水擊)不同，不同，水擊壓力沿管長的水擊壓力沿管長的分布規(guī)律不同分布規(guī)律不同。5.4.5 水錘壓力沿管長的分布水錘壓力沿管長的分布1.直接水擊水擊壓力沿管長分布規(guī)律直接水擊水擊壓力沿管長分布規(guī)律q直接水擊時，最大壓力直接水擊時，最大壓力沿管長的分布見左圖。沿管長的分布見左圖。q特例特例 突然關閉，突然關閉，TS=0時，時，沿管長最大升壓值相同，沿管長最大升壓值相同，其值為其值為022.間接水擊間

33、接水擊水擊壓力沿管長水擊壓力沿管長分布規(guī)律分布規(guī)律lLl 理論研究證明，極限水錘無論是正、負水理論研究證明，極限水錘無論是正、負水錘，管道沿線的最大水錘壓強均按直線規(guī)律錘，管道沿線的最大水錘壓強均按直線規(guī)律分布，如圖中紅線所示。若管道末端分布，如圖中紅線所示。若管道末端A點的最點的最大水錘為大水錘為 和和 ，則任意點，則任意點C點的最大水錘點的最大水錘為為AmCLlmaxAmCyLlymaxAmAmy2.1 極限水錘壓力的分布規(guī)律極限水錘壓力的分布規(guī)律 第一相水錘壓力沿管線不依直線規(guī)律分布，正第一相水錘壓力沿管線不依直線規(guī)律分布，正水錘壓力分布曲線是向上凸的，負水錘壓力分水錘壓力分布曲線是向上

34、凸的，負水錘壓力分布曲線是往下凹的。任意點布曲線是往下凹的。任意點C近似表達式為近似表達式為ACACC00max1212sTgHLV0maxsACsACTgHVlTgHVlL0max0max)(2.2 第一相水錘壓力的分布規(guī)律第一相水錘壓力的分布規(guī)律q對于第一相負水錘，任意點對于第一相負水錘，任意點C的最大水錘降壓為的最大水錘降壓為q繪制水錘壓力沿管線分布圖時，應根據管線的布置繪制水錘壓力沿管線分布圖時，應根據管線的布置情況，選擇幾個代表性的斷面，求出各斷面上的最情況，選擇幾個代表性的斷面，求出各斷面上的最大正、負水錘壓力。大正、負水錘壓力。q當丟棄負荷時可不計管路的水頭損失，在上游最高當丟棄

35、負荷時可不計管路的水頭損失，在上游最高靜水位上繪制水錘壓力分布圖。靜水位上繪制水錘壓力分布圖。q當增加負荷時，必須計算開啟終了時管路的水頭損當增加負荷時，必須計算開啟終了時管路的水頭損失與流速水頭，在上游最低水位線以下，考慮水頭失與流速水頭，在上游最低水位線以下，考慮水頭損失、流速水頭與負水錘壓力，繪制水錘壓力分布損失、流速水頭與負水錘壓力，繪制水錘壓力分布圖。圖。 BCBCCy0max12sBCBCTgHVl0max5.4.6 水擊計算算例水擊計算算例q【例】某水電站壓力鋼管長【例】某水電站壓力鋼管長L=600m，內徑，內徑D=1400mm，壓力前池設計水位，壓力前池設計水位845.00mm

36、，設，設計尾水位為計尾水位為590.00m，壓力管道最大過流量為，壓力管道最大過流量為5.25m3/s，管道的水頭損失為，管道的水頭損失為6.2m,水輪機導葉水輪機導葉關閉時間為關閉時間為TS=4.5s,管內水擊波速管內水擊波速C=1000m/s，求：求：1.丟棄全負荷時，管道末端斷面處的最大水丟棄全負荷時，管道末端斷面處的最大水擊壓強值。擊壓強值。2.距上游距上游200m處的最大水擊壓強。處的最大水擊壓強。q解：（解：（1）水擊類型判斷）水擊類型判斷2L/C=2*600/1000=1.2s導葉關閉時間為導葉關閉時間為TS=4.5sq 壓力管道內會發(fā)生間接水擊。壓力管道內會發(fā)生間接水擊。q（2

37、）間接水擊類型判別）間接水擊類型判別q H=845.00-590.00=255mq則則 05. 1128. 05 . 4*255*8 . 925. 5*600max05. 1255*8 . 9*225. 5*10002max00gHTsLVgHcVq用值用值 （大于（大于1.0）查水擊類別判別圖，可知管）查水擊類別判別圖，可知管道內發(fā)生末相水擊。道內發(fā)生末相水擊。q（3）末相水擊計算）末相水擊計算q（4）距上游）距上游200m處的最大水擊壓強處的最大水擊壓強q末相水擊的分布規(guī)律為直線末相水擊的分布規(guī)律為直線q和0OmHHHAmAm22209.82255*322. 0322. 0)428. 02

38、8. 0(228. 0)4(2OmHHLlA2maxmax36.273/09.82322. 06002005.5 5.5 復雜管道水錘計算復雜管道水錘計算q在實際工程中，常見的是復雜管路系統(tǒng)，共在實際工程中，常見的是復雜管路系統(tǒng)，共有三種類型有三種類型n 串聯管：串聯管：管壁厚度、直徑和材料隨水頭增加管壁厚度、直徑和材料隨水頭增加自上而下逐段改變。自上而下逐段改變。n 分岔管：分岔管：這在分組供水和聯合供水中經常遇這在分組供水和聯合供水中經常遇到。到。1. 蝸殼和尾水管：蝸殼和尾水管：裝有反擊式水輪機的管道系裝有反擊式水輪機的管道系統(tǒng)，應考慮蝸殼和尾水管的影響，而且其過統(tǒng)，應考慮蝸殼和尾水管的

39、影響，而且其過流特性與孔口出流不一樣，流量不僅與作用流特性與孔口出流不一樣，流量不僅與作用水頭有關，而且與水輪機的機型和轉速有關。水頭有關，而且與水輪機的機型和轉速有關。5.5.1、串聯管水錘的簡化計算、串聯管水錘的簡化計算q等價水管法等價水管法: 把串聯管轉化為等價的簡單管來把串聯管轉化為等價的簡單管來計算。計算。q等價原則：等價原則： 管長、相長、管中水體動能管長、相長、管中水體動能與原與原管相同。管相同。q設一根串聯管的管道特性為：設一根串聯管的管道特性為：L1，V1，a1； L2，V2，a2； ；Ln，Vn，an，等價管的總長為：，等價管的總長為：L=Li，根據管中根據管中水體動能不變

40、水體動能不變的要求的要求(注意注意Aivi=Q，Q=Qi): LVm=L1V1+L2V2+LnVn=LiVi ，q其加權平均流速：其加權平均流速：Vm=(LiVi)/Lq根據根據相長不變相長不變的要求，水錘波按平均波速由斷面的要求，水錘波按平均波速由斷面A傳到斷面?zhèn)鞯綌嗝鍮所需的時間等于水錘波在各段傳播時間所需的時間等于水錘波在各段傳播時間的總和，即的總和，即niiinnmaLaLaLaLaL12211niiimaLLa1q對于間接水錘，管道的平均特性常數為對于間接水錘，管道的平均特性常數為smmTgHLV0q求出管道平均特性常數后，可按簡單管的求出管道平均特性常數后，可按簡單管的間接水錘計算

41、公式求出復雜管道的間接水間接水錘計算公式求出復雜管道的間接水錘值。錘值。02agHVmmmmraLt25.5.2 分岔管的水錘壓力計算分岔管的水錘壓力計算q分岔管的水錘計算方法之一是分岔管的水錘計算方法之一是截肢法截肢法。q特點：當機組同時關閉時，選取總長為最大的特點：當機組同時關閉時，選取總長為最大的一根支管，將其余的支管截掉，變成串聯管道，一根支管，將其余的支管截掉，變成串聯管道，然后用各管段中實際流量求出各管段的流速，然后用各管段中實際流量求出各管段的流速，再用加權平均的方法求出串聯管中的平均流速再用加權平均的方法求出串聯管中的平均流速和平均波速，最后采用串聯管的簡化公式相應和平均波速，

42、最后采用串聯管的簡化公式相應地求出水錘值。地求出水錘值。5.5.3 蝸殼、尾水管水錘壓力計算蝸殼、尾水管水錘壓力計算(1) 首先將蝸殼視作壓力水管的延續(xù)部分，并假想首先將蝸殼視作壓力水管的延續(xù)部分，并假想把導葉移至蝸殼的末端，尾水管也作為壓力管道把導葉移至蝸殼的末端，尾水管也作為壓力管道的一部分的一部分,把壓力管道、蝸殼和尾水管組合視為把壓力管道、蝸殼和尾水管組合視為一串聯管，一串聯管，再將該串聯管簡化為等價簡單管進行再將該串聯管簡化為等價簡單管進行計算。計算。 設壓力水管、蝸殼及尾水管長度、平均流速和水設壓力水管、蝸殼及尾水管長度、平均流速和水錘波速分別為錘波速分別為LT、VT、aT；Lc、

43、Vc、ac；Lb 、Vb、ab，則：，則： L=LT+Lc+ Lb Vm=( LT VT +Lc Vc + Lb Vb)/L)/(bbccTTmaLaLaLLa(2) 以管道、蝸殼、尾水管三部分水體動能為權，將水以管道、蝸殼、尾水管三部分水體動能為權，將水錘力值錘力值進行分配，求出壓力管道、蝸殼末端和尾水進行分配，求出壓力管道、蝸殼末端和尾水管進口的水錘壓力。管進口的水錘壓力。q管道末端最大壓力上升相對值為：管道末端最大壓力上升相對值為： q蝸殼末端最大壓力上升相對值：蝸殼末端最大壓力上升相對值：q尾水管進口處壓力下降相對值為：尾水管進口處壓力下降相對值為： q注：尾水管在導葉或閥門之后，水錘

44、現象與壓力管注：尾水管在導葉或閥門之后，水錘現象與壓力管道相反。道相反。mbcTTTTVLLLVL)(mbcTccTTcVLLLVLVL)(mbcTbbbVLLLVLy)(3) 求出尾水管的負水錘后，應校核尾水管進口求出尾水管的負水錘后，應校核尾水管進口處的真空度處的真空度Hr，以防水流中斷。，以防水流中斷。式中式中 Hs 水輪機的吸出高度；水輪機的吸出高度； Vb 尾水管進口斷面在出現尾水管進口斷面在出現yb時的流速。時的流速。注：對于中高水頭水電站：注：對于中高水頭水電站：壓力管道較長，蝸殼壓力管道較長，蝸殼和尾水管的影響較小，通?？陕匀ゲ挥?。和尾水管的影響較小，通常可略去不計。 對于低水

45、頭水電站：對于低水頭水電站：必須考慮蝸殼和尾水管的必須考慮蝸殼和尾水管的影響影響 ，而尾水管的影響往往較蝸殼更為顯著。，而尾水管的影響往往較蝸殼更為顯著。 mgVHyHHbbsr982205.6 水擊壓力計算標準水擊壓力計算標準q對于丟棄負荷時對于丟棄負荷時,蝸殼末端最大水擊壓力相對升高值不超蝸殼末端最大水擊壓力相對升高值不超過以下值過以下值:vH040m,=0.5-0.7;vH0=40-100m,=0.3-0.5;vH0100m,=0.5;vH0400m,=0.15;q當設置減壓閥或折流板時當設置減壓閥或折流板時, =0.2q對增加負荷時的負水擊對增加負荷時的負水擊,壓力水管頂部任何一點不能

46、出現壓力水管頂部任何一點不能出現負壓且保持負壓且保持2米余壓米余壓;q尾水管進口允許的最大真空度為尾水管進口允許的最大真空度為8mH2O. 調節(jié)保證的計算條件調節(jié)保證的計算條件1水錘壓強計算條件水錘壓強計算條件 （1）管道中的最大內水壓強一般控制在以下兩管道中的最大內水壓強一般控制在以下兩種工況：種工況：q上游最高水位時電站丟棄負荷。上游最高水位時電站丟棄負荷。此時電站流量此時電站流量和水錘壓強都不是最大值，但由于管道中的靜和水錘壓強都不是最大值，但由于管道中的靜水壓較高，疊加的結果可能成為控制工況。水壓較高，疊加的結果可能成為控制工況。q設計水頭下電站丟棄負荷。設計水頭下電站丟棄負荷。管道中

47、的靜水壓稍管道中的靜水壓稍低，但電站的流量和水錘壓力較大，疊加的結低，但電站的流量和水錘壓力較大，疊加的結果也可能成為控制工況。果也可能成為控制工況。（2）管道中的最小內水壓強一般控制在以下管道中的最小內水壓強一般控制在以下兩種工況兩種工況：q上游最低水位時電站丟棄負荷。導葉關閉上游最低水位時電站丟棄負荷。導葉關閉后的正水錘經水庫和導葉反射而成的負水后的正水錘經水庫和導葉反射而成的負水錘；錘；q上游最低水位時，電站最后一臺機組投入上游最低水位時，電站最后一臺機組投入運行。運行。（3）轉速上升率的控制工況轉速上升率的控制工況q設計水頭設計水頭+水電站丟棄全負荷。水電站丟棄全負荷。5.7 機組轉速

48、變化計算機組轉速變化計算5.7.1 不平衡出力以直線規(guī)不平衡出力以直線規(guī)律變化律變化（列寧格勒金屬工廠公式）列寧格勒金屬工廠公式）q轉速相對變化值（機組暫轉速相對變化值（機組暫態(tài)不平衡率）態(tài)不平衡率） nnnn0 0/n/n0 0 n n為變化后轉速，為變化后轉速，n n0 0為變?yōu)樽兓稗D速?；稗D速。q經驗公式經驗公式0 012200013651;,122 5 12;.NT fn GDNTfPG2 其中是機組額定出力是閥門自空轉開度到全開的開啟時間是修正系數查圖是機組轉動部分的重量;GD 是飛輪力矩 機組轉速變化計算機組轉速變化計算5.7.2 考慮調速器遲滯時間的計算公式考慮調速器遲滯時間

49、的計算公式（長江流域規(guī)劃辦（長江流域規(guī)劃辦公式）公式）022003651(2)1;,1225 12;.CnNTT fn GDNfPG2其中是機組額定出力是修正系數 查圖是機組轉動部分的重量;GD 是飛輪力矩考慮調速器遲滯時間的計算公式考慮調速器遲滯時間的計算公式22000.5,0.1 ,0.2 .,0.02 0.06;( )365,(0.9 0.00063 );.CCAp aApannsSsTTTe TTssen GDTsNTTn TnS是調節(jié)遲滯時間是導葉動作遲滯時間電調取機調取是調速器的調差率 一般取機組的升速時間是水輪機的比轉速.T是閥門關閉時間5.7.3 轉速變化計算標準轉速變化計算標

50、準q丟棄負荷情況丟棄負荷情況v丟棄丟棄100%,max0.50.6;0.50.6;v丟棄丟棄75%,max0.65 0.65 max; ;v丟棄丟棄50%,max0.45 0.45 max; ;v丟棄丟棄25%,max0.25 0.25 max. .q增加負荷增加負荷, ,一般不計算一般不計算. .5.8 水錘的危害及改善調保的措施水錘的危害及改善調保的措施5.8.1水錘的危害水錘的危害q(1) 壓強升高過大壓強升高過大水管強度不夠而破裂；水管強度不夠而破裂；q(2) 尾水管中負壓過大尾水管中負壓過大尾水管汽蝕，水輪機運尾水管汽蝕，水輪機運行時產生振動；行時產生振動；q(3) 壓強波動壓強波動

51、機組運行穩(wěn)定性和供電質量下降。機組運行穩(wěn)定性和供電質量下降。5.8.2 改善調節(jié)保證的措施改善調節(jié)保證的措施q1. 縮短壓力水管的長度；縮短壓力水管的長度；q2. 減小壓力管道中流速；減小壓力管道中流速；q3. 延長閥門關閉時間，但會引起轉速相對變化值升高。延長閥門關閉時間，但會引起轉速相對變化值升高。若轉速不能滿足要求，可采取下列措施若轉速不能滿足要求，可采取下列措施v在蝸殼上設減壓閥（反擊式）或設折流板（水斗式）；在蝸殼上設減壓閥（反擊式）或設折流板（水斗式）；v設水阻器，在機組甩負荷時投入運行。設水阻器，在機組甩負荷時投入運行。v設安全閥或爆破膜。設安全閥或爆破膜。q4. 增大機組飛輪力矩增大機組飛輪力矩GD2（加大發(fā)電機轉子重量和直徑；（加大發(fā)電機轉子重量和直徑；小機組常在軸上另外加設飛輪），以限制轉速的過大變小機組常在軸上另外加設飛輪），以限制轉速的過大變化；化；q5. 采用合理的調速器調節(jié)規(guī)律。采用合理的調速器調節(jié)規(guī)律。水擊基本公式水擊基本公式SWSEDEcgcTTHcLT114352減小水錘壓強的措施減小水錘壓強的措施v縮短壓力管道的長度縮短壓力管道的長度q縮短壓力管道長度，使從進水口反射回來的縮短