復(fù)雜管道水錘計(jì)算

第五節(jié)復(fù)雜管道水錘計(jì)算在實(shí)際工程中，常見的是復(fù)雜管路系統(tǒng)，共有三種類型(1)串聯(lián)管:管壁厚度、直徑和材料隨水頭增加自上而下逐段改變。(2)分岔管:

這在分組供水和聯(lián)合供水中經(jīng)常遇到。(3)蝸殼和尾水管:裝有反擊式水輪機(jī)的管道系統(tǒng)，應(yīng)考慮蝸殼和尾水管的影響，而且其過流特性與孔口出流不一樣，流量不僅與作用水頭有關(guān)，而且與水輪機(jī)的機(jī)型和轉(zhuǎn)速有關(guān)。一、串聯(lián)管水錘的簡(jiǎn)化計(jì)算等價(jià)水管法:把串聯(lián)管轉(zhuǎn)化為等價(jià)的簡(jiǎn)單管來計(jì)算等價(jià)原則：管長(zhǎng)、相長(zhǎng)、管中水體動(dòng)能與原管相同設(shè)一根串聯(lián)管的管道特性為：L1，V1，c1；L2，V2，c2；……；Ln，Vn，cn(1)等價(jià)管的總長(zhǎng)為： (2)根據(jù)管中水體動(dòng)能不變的要求:

LVm=L1V1+L2V2+……+LnVn=∑LiVi

，由此可得加權(quán)平均流速：

(3)根據(jù)相長(zhǎng)不變的要求，水錘波按平均波速由斷面A傳到斷面B所需的時(shí)間等于水錘波在各段傳播時(shí)間的總和，即對(duì)于間接水錘，管道的平均特性常數(shù)為

求出管道平均特性常數(shù)后，可按簡(jiǎn)單管的間接水錘計(jì)算公式求出復(fù)雜管道的間接水錘值。

二、分岔管的水錘壓力計(jì)算

分岔管的水錘計(jì)算方法之一是截肢法。特點(diǎn)：當(dāng)機(jī)組同時(shí)關(guān)閉時(shí)，選取總長(zhǎng)為最大的一根支管，將其余的支管截掉，變成串聯(lián)管道，然后用各管段中實(shí)際流量求出各管段的流速，再用加權(quán)平均的方法求出串聯(lián)管中的平均流速和平均波速，最后采用串聯(lián)管的簡(jiǎn)化公式相應(yīng)地求出水擊值。

三、蝸殼、尾水管水錘壓力計(jì)算

(1)首先將蝸殼視作壓力水管的延續(xù)部分，并假想把導(dǎo)葉移至蝸殼的末端，尾水管也作為壓力管道的一部分,把壓力管道、蝸殼和尾水管組合視為一串聯(lián)管，再將該串聯(lián)管簡(jiǎn)化為等價(jià)簡(jiǎn)單管進(jìn)行計(jì)算。設(shè)壓力水管、蝸殼及尾水管長(zhǎng)度、平均流速和水錘波速分別為L(zhǎng)T、VT、cT；Lc、Vc、cc；Lb

、Vb、cb，則L=LT+Lc+LbVm=(LTVT+LcVc+LbVb)/L(2)以管道、蝸殼、尾水管三部分水體動(dòng)能為權(quán)，將水擊錘力值進(jìn)行分配，求出壓力管道、蝸殼末端和尾水管進(jìn)口的水錘壓力。 壓力水管末端最大壓力上升相對(duì)值為：

蝸殼末端最大水錘壓力上升相對(duì)值：

尾水管進(jìn)口處壓力下降相對(duì)值為：注：尾水管在導(dǎo)葉或閥門之后，水擊現(xiàn)象與壓力管道相反。(3)求出尾水管的負(fù)水錘后，應(yīng)校核尾水管進(jìn)口處的真空度Hr，以防水流中斷。

式中Hs—水輪機(jī)的吸出高度；Vb—尾水管進(jìn)口斷面在出現(xiàn)yb時(shí)的流速。

注：對(duì)于中高水頭水電站：壓力管道較長(zhǎng)，蝸殼和尾水管的影響較小，通?？陕匀ゲ挥?jì)。

對(duì)于低水頭水電站：必須考慮蝸殼和尾水管的影響，而尾水管的影響往往較蝸殼更為顯著。

第六節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化計(jì)算

水輪機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開始關(guān)閉導(dǎo)葉，水輪機(jī)的引用流量逐漸減小，機(jī)組出力逐漸下降，同時(shí)在引水系統(tǒng)產(chǎn)生水錘壓力。當(dāng)關(guān)閉到空轉(zhuǎn)開度時(shí)，出力變?yōu)榱?，?dǎo)葉關(guān)閉過程中所產(chǎn)生的能量，完全被機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分所消耗，造成機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高。

在機(jī)組調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速變化通常以相對(duì)值表示，稱為轉(zhuǎn)速變化率β。

丟棄負(fù)荷：增加負(fù)荷：一、機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率計(jì)算近似公式

(一)列寧格勒金屬工廠公式增加負(fù)荷時(shí)丟棄負(fù)荷時(shí)：

(二)《長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室》公式

列寧格勒工廠公式未考慮遲滯時(shí)間，我國“長(zhǎng)辦”提出修正公式。當(dāng)水電站突丟負(fù)荷后，由于調(diào)速系統(tǒng)慣性的影響，導(dǎo)葉經(jīng)過一小段遲滯時(shí)間Tc以后才開始關(guān)閉動(dòng)作，機(jī)組轉(zhuǎn)速經(jīng)歷Tc和升速時(shí)間Tn。(Tn定義為水輪機(jī)出力自N0降到零時(shí)的歷時(shí))后達(dá)到最大值nmax。

第七節(jié)調(diào)節(jié)保證計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和改善調(diào)節(jié)保證的措施

一、調(diào)節(jié)保證計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算條件所謂調(diào)節(jié)保證計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，是指水錘壓力和轉(zhuǎn)速變化在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上合理的允許值。這種標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)規(guī)范中有所規(guī)定，但這是在一定時(shí)期和一定技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件下制定的，應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合具體情況加以確定。(一)水錘壓力的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)1．壓力升高水錘壓力的最大升高值相對(duì)值：ξmax＝(Hmax-H0)/H0

當(dāng)H0＞100m時(shí)，ξmax＝0.15~0.30當(dāng)H0=40~100m時(shí)，ξmax＝0.30~0.50當(dāng)H0＜40m時(shí)，ξmax＝0.50~0.702．壓力降低在壓力引水系統(tǒng)的任何位置均不允許產(chǎn)生負(fù)壓，且應(yīng)有2~3m水柱高的余壓，以保證管道尤其是鋼管的穩(wěn)定和防止水柱分離。尾水管進(jìn)口的允許最大真空度為8m水柱高。(二)轉(zhuǎn)速變化的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)限制機(jī)組轉(zhuǎn)速過大的變化主要是為了保證機(jī)組正常運(yùn)行和供電的質(zhì)量。在丟棄全負(fù)荷的情況下，主要是防止機(jī)組強(qiáng)度破壞、振動(dòng)和由于過速引起過電壓而造成發(fā)電機(jī)電氣絕緣的損壞。最大轉(zhuǎn)速變化值相對(duì)值βmax＝(nmax-n0)/n0表示?？紤]到目前國內(nèi)機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等情況，其允許值βmax可按以下情況考慮：1．當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎剌^大，且擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí)，βmax宜小于45％；2．當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎夭淮蠡驌?dān)負(fù)基荷時(shí)，βmax宜小于55％；對(duì)斗葉式水輪機(jī)，βmax宜小于30％。注：當(dāng)大于上述值時(shí)，應(yīng)有所論證。

(三)調(diào)節(jié)保證的計(jì)算條件1．水錘壓強(qiáng)計(jì)算條件

管道中的最大內(nèi)水壓強(qiáng)一般控制在以下兩種工況：(1)

上游最高水位時(shí)電站丟棄負(fù)荷。此時(shí)電站流量和水錘壓強(qiáng)都不是最大值，但由于管道中的靜水壓較高，疊加的結(jié)果可能成為控制工況。(2)設(shè)計(jì)水頭下電站丟棄負(fù)荷。管道中的靜水壓較低，但電站的流量和水錘壓力較大，疊加的結(jié)果也可能成為控制工況。管道中的最小內(nèi)水壓強(qiáng)一般控制在以下兩種工況

(1)

上游最低水位時(shí)電站丟棄負(fù)荷。

導(dǎo)葉關(guān)閉后的正水錘經(jīng)水庫和導(dǎo)葉反射而成的負(fù)水錘；

(2)上游最低水位時(shí)，電站最后一臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行。

2．轉(zhuǎn)速上升率的控制工況

設(shè)計(jì)水頭+水電站丟棄全負(fù)荷。

二、減小水錘壓強(qiáng)的措施

(一)縮短壓力管道的長(zhǎng)度縮短壓力管道長(zhǎng)度，使從進(jìn)水口反射回來的水錘波能夠較早地回到壓力管道末端，從而減小水錘值。從管道特性系數(shù)σ＝LVmax/gH0Ts中可看出，減小L可以減小，在較長(zhǎng)的引水系統(tǒng)中，設(shè)置調(diào)壓室，是縮短壓力管道的常用措施。二、減小水錘壓強(qiáng)的措施

(二)減小壓力管道中的流速減小流速可減小壓力管道中單位水體的動(dòng)量，從而減小水擊壓力。但是水電站在運(yùn)行中要求流量是一定的，要減低流速勢(shì)必要加大管徑，增加管道造價(jià)。因此用加大管徑辦法降低水擊壓強(qiáng)，往往是不經(jīng)濟(jì)的，但在一定條件下，如果適當(dāng)加大管徑后便可不設(shè)調(diào)壓室，還是比較合理的。二、減小水錘壓強(qiáng)的措施

(三)延長(zhǎng)有效的關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)有效的關(guān)閉時(shí)間Ts，可降低水錘壓力，但使機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率β值增加，甚至超過允許值，要解決這個(gè)矛盾，可采取以下措施：

1．反擊式水輪機(jī)設(shè)置減壓閥(空放閥)：在蝸殼的進(jìn)口附近裝設(shè)減壓閥。

注：減壓閥在機(jī)組增加負(fù)荷時(shí)不起作用減壓閥裝置示意圖

二、減小水錘壓強(qiáng)的措施

2．沖擊式水輪機(jī)的機(jī)組裝置偏流器(折流器)偏流器構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，且無需增加廠房的尺寸，在水斗式水輪機(jī)的機(jī)組經(jīng)常采用。

注：偏流器在增荷時(shí)不起作用。

3．設(shè)置水阻器

注：水阻器對(duì)于增加負(fù)荷時(shí)不起作用。二、減小水錘壓強(qiáng)的措施

(四)選