水擊教案 精簡

第10頁共10頁P(yáng)AGEPAGE10有壓引水系統(tǒng)非恒定流的物理現(xiàn)象及基本方程§7—1概述一、水輪機(jī)調(diào)節(jié)特點(diǎn)：（N=9.81QHη）水電站實(shí)際運(yùn)行中，有可能遇到負(fù)荷突然變化，如因事故丟棄負(fù)荷或從空載迅速增加到滿負(fù)荷。此時調(diào)速器自動關(guān)閉或開啟導(dǎo)葉，以適應(yīng)負(fù)荷的變化。與此同時產(chǎn)生兩種物理現(xiàn)象：(正常情況的負(fù)荷變化一般危害不大，不起控制作用)機(jī)組轉(zhuǎn)速的較大變化當(dāng)丟棄負(fù)荷時，水輪機(jī)在導(dǎo)葉關(guān)閉過程中的剩余能量，將轉(zhuǎn)換為機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的動能，使轉(zhuǎn)速上升，反之將使機(jī)組轉(zhuǎn)速降低。有壓引水系統(tǒng)中水擊現(xiàn)象當(dāng)水輪機(jī)導(dǎo)葉啟閉時，管道中流量、流速發(fā)生急劇變化。而水流慣性將引起管道內(nèi)水壓力隨之變化。這種現(xiàn)象稱為水擊。（waterhammer）如果沒有水流慣性（流速）隨時間的變化，就沒有水擊。關(guān)閉導(dǎo)葉時，蝸殼、上游壓力管道中壓力上升，尾水管壓力下降；開啟導(dǎo)葉時，則相反。二、水擊及調(diào)節(jié)保證計算的目的研究水錘的目的:eq\o\ac(○,1):計算水電站過水系統(tǒng)的最大內(nèi)水壓強(qiáng)，作為設(shè)計和校核壓力管道，蝸殼和水輪機(jī)強(qiáng)度的依據(jù)。eq\o\ac(○,2)：計算過水系統(tǒng)的最小內(nèi)水壓強(qiáng)，作為布置壓力管道的線路（防止壓力水管內(nèi)發(fā)生真空）和檢驗(yàn)尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)。2）水電站的不穩(wěn)定工況及調(diào)保計算的目的由于負(fù)荷的變化，水輪機(jī)工作參數(shù)不斷變化的過程稱水電站不穩(wěn)定工況。在機(jī)組調(diào)節(jié)過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化及壓力管道和機(jī)組內(nèi)水壓力的變化是否滿足設(shè)計要求的計算，稱調(diào)保計算。調(diào)保計算的任務(wù)：eq\o\ac(○,1)研究水錘現(xiàn)象與機(jī)組運(yùn)行（如機(jī)組轉(zhuǎn)速變化和運(yùn)行的穩(wěn)定性等）的關(guān)系。eq\o\ac(○,2)根據(jù)水電站水力系統(tǒng)（過流系統(tǒng)）和機(jī)組特性，合理的選擇導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)規(guī)律，使水擊壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速變化均保證在允許的范圍之內(nèi)。從水工角度來說，希望調(diào)節(jié)時間長，則水擊壓力小。從機(jī)械和電力系統(tǒng)角度來說，希望調(diào)節(jié)時間短，則轉(zhuǎn)速變化小，機(jī)械強(qiáng)度和供電質(zhì)量易于滿足。eq\o\ac(○,3)研究減小水錘壓強(qiáng)的措施。（水錘現(xiàn)象也是引起壓力管道和機(jī)組振動的原因之一。對于明鋼管，應(yīng)研究水錘引起管道振動的可能性。）§7—2有壓引水系統(tǒng)水力過渡過程分析一、水擊波的概念負(fù)荷變化調(diào)速器動作、導(dǎo)葉動作導(dǎo)葉處流量發(fā)生變化，該處流速發(fā)生變化水體慣性內(nèi)水壓力變化水體和管壁彈性壓力變化以彈性波的形式在壓力管道內(nèi)傳播。這種現(xiàn)象我們稱為水擊現(xiàn)象，壓力的變化稱為水擊壓力。伐門突然關(guān)閉時水擊的發(fā)展過程沿全管道，伐門突然關(guān)閉：伐門處由于慣性，水流繼續(xù)流入，沿全管段在水庫處，由于壓力差，水流由壓力管流向水庫沿全管長由于慣性，雖然壓力管與水庫壓力平衡水流仍繼續(xù)流向水庫。在伐門處沿全管長在水庫處，由于壓力差，水流由水庫流向管內(nèi)。沿全管段完成一個循環(huán)。水擊現(xiàn)象中，壓力管中流速、壓力變化完成一個循環(huán)的時間稱為一個周期：。水擊在壓力管中傳播一個來回的時間稱為一“相”：。為水擊傳播速度。結(jié)論：1）水擊產(chǎn)生的外部原因是流速的變化，內(nèi)因是水流的慣性。2）由于水體和管壁的彈性，水擊在水管中以彈性波的形式傳播。因此必然遵彈性波的反射原理和迭加原理。在上面的分析中：時，伐門突然關(guān)閉，在伐門端產(chǎn)生一個水擊，這個水擊以彈性波形式向上游傳播，當(dāng)時，水擊波到水庫點(diǎn)，在此發(fā)生反射，形成反射波-。這種改變水擊符號的反射稱“負(fù)反射”。反射波-從水庫點(diǎn)向下游傳播（異號反射）。當(dāng)時，到達(dá)關(guān)閉的伐門端，在伐門端，又一次反射，仍以-向上游傳播。在伐門端產(chǎn)生的反射沒有改變水擊波的符號，稱為正反射。（同號反射）3）上面水擊現(xiàn)象的分析是假定伐門突然關(guān)閉，且不計水流的水力損失，所以水擊壓力波等值傳播。eq\o\ac(○,1)如果考慮伐門關(guān)閉的時間，則反射波將與伐門不斷關(guān)閉所產(chǎn)生的水擊波進(jìn)行迭加。eq\o\ac(○,2)如果計及管道的摩阻損失，則速度的變化不斷減小，水擊壓力將迅速減衰以及消失。4）如果伐門突然打開，則其水擊現(xiàn)象將與以上分析相反?！?—1直接水擊和間接水擊1、在水庫點(diǎn)：即是說，正向波與經(jīng)過水庫反射回來的反向波大小相同，符號相反?！凹慈羰巧龎翰ǎ瑒t是降低波“。水庫點(diǎn)反射系數(shù)：——水擊波在水庫處發(fā)生等值負(fù)反射。2、伐門端對7-13，7-14作如下處理，令：;;；則7-13為，7-14為，（對應(yīng)閥門開度的反射系數(shù)）上式說明：伐門處的反射特性與伐門開度有關(guān)。eq\o\ac(○,1)當(dāng)從上游來的順流波在伐門處發(fā)生負(fù)反射。eq\o\ac(○,2)當(dāng)伐門全關(guān)死）此時伐門相當(dāng)于一個封閉端。從上游來的順流波在此發(fā)生等值正反射。eq\o\ac(○,3))當(dāng)從上游來的順流波在此發(fā)生正反射。eq\o\ac(○,4)當(dāng)從上游來的順流波在伐門處不發(fā)生反射。伐門端水擊的反射特性，應(yīng)用于沖擊式水輪機(jī)的噴嘴有足夠的精度，但對反擊式水輪機(jī)則比較粗糙，問題出在推導(dǎo)過程中，用到了反擊式水輪機(jī)不僅決定于且與轉(zhuǎn)速有關(guān)。三、直接水擊和間接水擊1、直接水擊若伐門啟閉時間時，從水庫反射回來的反向波尚未到達(dá)伐門處，伐門啟閉即已完成，這時的水擊稱直接水擊。在伐門處，由公式：7-137-14例：設(shè)伐門在時間內(nèi)，由全開全關(guān)、流速;則：在伐門處產(chǎn)生水擊壓力為；顯然這樣的水擊值是工程所不允許的，是水輪機(jī)運(yùn)行時應(yīng)避免的。2、間接水擊時的水擊稱間接水擊，下面的討論均是間接水擊。四、伐門起始開度對水擊的影響調(diào)速器調(diào)節(jié)規(guī)律確定以后，由于起始開度的大小不同，調(diào)速器調(diào)節(jié)導(dǎo)葉關(guān)閉時間不同，如果起始開度很小，導(dǎo)葉關(guān)閉時間很小，則可能在反擊波尚未到達(dá)伐門端時，伐門關(guān)閉已結(jié)束，這時伐門端的水擊是直接水擊。從一相水擊和極限水擊判別條件可以知道，在伐門端，閥門的起初開度對水擊類型和大小有重要的影響?？偨Y(jié)：在運(yùn)行中，我們應(yīng)避免出現(xiàn)直接水擊。在計算間接水擊時，伐門處壓力最大，先判斷是一相水擊還是末相水擊，然后利用相應(yīng)公式進(jìn)行水擊計算。前面所推的遞推公式、一相水擊和末相水擊計算公式都是根據(jù)伐門邊界條件得出，對于沖擊式水輪機(jī)有足夠的精度，但對反擊式水輪機(jī)需對計算結(jié)果乘一機(jī)型系數(shù)?；霤=1.2，軸C=1.4§9—3復(fù)雜管道的水錘簡化計算復(fù)雜管有兩種：一種是管徑和管壁厚度自上而下隨著水頭的增加而逐段改變的水管，這種水管稱為串聯(lián)管；另一種是分岔管，這在集中供水中經(jīng)常遇到。無論是串聯(lián)管或分岔管，水錘波在水管特性變化處都將發(fā)生反射，從而使水錘現(xiàn)象更為復(fù)雜。串聯(lián)管串聯(lián)管簡化為等價管計算，簡化原則是：長度不變相長不變；水體動能不變；；∴；于是等價管的特性常數(shù)和水擊常數(shù)：

分岔管：將分岔管簡化為串聯(lián)管，進(jìn)一步簡化為等價管。分岔管簡化為串聯(lián)管的方法通常有兩種：合支法把岔管之后所有機(jī)組合并成一臺大機(jī)組。L取最長支管加未分岔的總管為計算長度；引用流量為各機(jī)組流量之和；最長支管的斷面積也用各支管斷面積之和代替。截只法截去暫不計算的支管，支管段的長度、斷面積、波速和流量按自身的實(shí)際值計算反擊式水輪機(jī)水錘計算特點(diǎn)：（1）反擊式水輪機(jī)有蝸殼和尾水管，并以導(dǎo)葉調(diào)節(jié)流量，其過流特性和孔口出流不完全相符。（2）反擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速影響水輪機(jī)的流量，而水斗式水輪機(jī)的流量和轉(zhuǎn)速無關(guān)。（3）當(dāng)流量變化時，反擊式水輪機(jī)的蝸殼和尾水管中亦將發(fā)生水錘現(xiàn)象。蝸殼相當(dāng)于壓力管道的延續(xù)部分，其水錘現(xiàn)象和壓力管道相同；尾水管在導(dǎo)葉之后，其水錘現(xiàn)象則與壓力管道相反：導(dǎo)葉關(guān)閉時產(chǎn)生負(fù)水錘，導(dǎo)葉開啟時產(chǎn)生正水錘。蝸殼與尾水管的水錘影響水輪機(jī)的出流，從而也影響壓力管道中的水錘。在簡化成等價管時應(yīng)計入它們的作用。假設(shè)把水輪機(jī)的導(dǎo)葉搬到尾水管之后，于是：下標(biāo)T、c、b分別表示壓力管、蝸殼與尾水管?！?-4水擊壓力沿管長的分布1、末相水擊沿管長分布：末相水擊沿管長成直線分布。2、一相水擊沿管長分布一相水擊沿管長成雙曲線分布?！?—6減小水擊壓力的措施1、增大管理，減小流速。2、縮小管道長度L。3、設(shè)置調(diào)壓室（實(shí)際上是縮短壓力水管長度L），4、改善導(dǎo)葉調(diào)節(jié)規(guī)律。5、設(shè)置減壓閥（調(diào)壓伐，空放閥）－反擊式不增大，減小壓力管中流速6、設(shè)置水阻器。－沖擊式變化梯度。7、增加機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量，從而增加機(jī)組時間常數(shù)Tn，增加Ts—中、小機(jī)組第十章調(diào)壓室§10—1調(diào)壓室的作用及其工作原理一、調(diào)壓室的作用調(diào)壓室利用擴(kuò)大的斷面和自由水面反射水錘波。所以對水擊具有類似水庫的反射作用。eq\o\ac(○,1)反射水錘波.基本上避免（或減?。毫艿乐械乃N波進(jìn)入有壓引水道eq\o\ac(○,2).縮短壓力管道的長度.從而減小壓力管道及廠房過流部分的水錘

eq\o\ac(○,3).改變機(jī)組在負(fù)荷變化時的運(yùn)行條件和系統(tǒng)供電質(zhì)量二、調(diào)壓室的水力現(xiàn)象（以突然丟棄負(fù)荷為例）時：此時通過調(diào)壓室的流量為0，調(diào)壓室水位。若此時突然丟棄全負(fù)荷，，由于水流慣性和水庫調(diào)壓室水頭差。水庫水流向調(diào)壓室，使調(diào)壓室水位上升。時：調(diào)壓室水位等于靜水位，，此時水頭為0，但由于慣性，水流繼續(xù)流入調(diào)壓室，流速下降。時：，由于水頭差，水開始倒流入水庫，流速開始增加。時：調(diào)壓室水位等于靜水位，，由于慣性，水流繼續(xù)流入水庫，減小。時：；引水系統(tǒng)—調(diào)壓室中的水流，就是這樣由勢能—動能—勢能—來回往復(fù)，形成調(diào)壓室水位的波動，由于摩阻作用，波動逐漸衰減以至消失。幾點(diǎn)說明：1、引水系統(tǒng)—調(diào)壓室的水力現(xiàn)象和壓力管道中水擊現(xiàn)象。相同點(diǎn)：均為有壓非恒定流現(xiàn)象，而且均為水體慣性引起。不同點(diǎn)：水體以質(zhì)量波的形式在引水系是由于水體和管壁的彈性波。壓統(tǒng)～調(diào)壓室中傳遞。頻率慢、力變化以彈性波的形式傳遞。頻周期長（3-5分鐘）振幅小，率快。周期短（1秒左右）振幅大。2、水擊波的持續(xù)時間比調(diào)壓室波動持續(xù)時間短得多，所以我們研究調(diào)壓室水位波動時，假定水擊現(xiàn)象已經(jīng)完畢。三、調(diào)壓室的基本方程假定：1）調(diào)壓室水位波動時，水庫水位不變。2）不考慮水體及引水道的彈性一般不會影響調(diào)壓室水位的變化。3）忽略調(diào)壓室中慣性水頭和摩阻損失。1、連續(xù)方程（流量連續(xù)）引水道流量應(yīng)為進(jìn)入調(diào)壓室和壓力管流量之和。即：7-182、運(yùn)動方程：（取引水道水體為脫離體）則：即：（二階微量可忽略）7-17：引水道水頭損失；：調(diào)壓室水頭損失（分岔、收縮、擴(kuò)散）3、出力方程：在調(diào)壓室—引水系統(tǒng)波動中，水輪機(jī)水頭、流量發(fā)生變化，但出力維持不變：假設(shè)恒定流與非恒定流時效率相等，則則：§10—2調(diào)壓室的設(shè)置條件及位置選擇二、調(diào)壓室的設(shè)計要求調(diào)壓室對水擊反射條件好。①具有自由表面。②有足夠的斷面積。③與壓力管道連接處有足夠斷面。盡量靠近廠房，以縮短壓力管長度，減小水擊。正常運(yùn)行時，水力損失小（與壓力管連接處斷面變化?。?。負(fù)荷變化時，應(yīng)保證調(diào)壓室水位波動振幅小，頻率低，衰減快（要求有足夠斷面，適當(dāng)阻抗）。調(diào)壓室的位置選擇：1、根據(jù)地形、地質(zhì)條件，與引水系統(tǒng)、廠房位置統(tǒng)籌考慮，盡量靠近廠房。2、盡量置于地下，調(diào)壓井一般較經(jīng)濟(jì)、安全地質(zhì)條件好，注意滲水影響圍巖、邊坡穩(wěn)定。§10-3調(diào)壓室布置方式與類型一、調(diào)壓室布置方式1、上游調(diào)壓室電站采用尾部開發(fā)，有壓引水隧洞較長，在其末端布置調(diào)壓室。2、尾水調(diào)壓室水電站采用首部開發(fā)，有壓尾水隧洞較長，在其首端布置調(diào)壓室。3、上、下游調(diào)壓室水電站采用中部開發(fā)，有壓引水隧洞和有壓尾水隧洞都較長，在廠房上、下游均設(shè)置調(diào)壓室。4、上游雙調(diào)壓室靠近廠房的稱為主調(diào)壓室，另一個稱為副調(diào)壓室。這種布置方式通常在電站擴(kuò)建時遇到，或者因結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件不能滿足要求時采用。二、調(diào)壓室的主要類型：調(diào)壓室的波動是一種能量轉(zhuǎn)換過程：即引水系統(tǒng)水體動能調(diào)壓室水體位能（克服：引水道摩阻+調(diào)壓室局部損失）1、圓筒式斷面上下一樣，所以適用于低水頭（要求穩(wěn)定斷面大）、小容量（水位波動不大）電站特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，水擊反射條件好，恒定流運(yùn)行時，水力損失較大，負(fù)荷變化時波動衰減慢，水位波動大。2、阻抗式適用于：中、低水頭（F較大）；短引水道（反射較差）。特點(diǎn)：與園筒式相反，此外為保證調(diào)壓室對水擊的反射性能，需要注意選擇適當(dāng)?shù)淖杩瓜禂?shù)。3、雙室式：（上室高于最高靜水位，供丟棄負(fù)荷用，下室低于最低靜水位，供增荷時補(bǔ)充壓力管用水。）適用于高水頭（高水頭所需調(diào)壓室穩(wěn)定斷面小豎井?dāng)嗝嫘。Ｋ畮旃ぷ魃疃却螅ê砉芨叨容^大），否則意義不大。特點(diǎn)：（ 調(diào)壓室水體的位能。）雙室式提高了水體重心，從而減小了高度（或縮小了斷面）。4、溢流式適用條件與雙室式相同，在雙室式基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高上室的重心，從而進(jìn)一步減小高度或縮小斷面。5、差動式棄荷時與溢流式相同，增荷時與阻抗式相同，綜合了阻抗式與溢流式的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。適用于中、高水頭但地質(zhì)、地形條件不可能建大斷面或深埋調(diào)壓井時。6、氣墊式利用空氣的易壓縮性來限制水位振幅，缺點(diǎn)是波動穩(wěn)定性差，斷面積大，要定期補(bǔ)氣。適用于高水頭地下式廠房§10—4調(diào)壓室水位波動計算一、調(diào)壓室水力計算任務(wù)和條件1、計算調(diào)壓室波動的最高水位——以確定調(diào)壓室高度和引水道內(nèi)水壓力。計算條件：上游最高水位——設(shè)計洪水位時甩全負(fù)荷，糙率取可能的最低值。2、計算調(diào)壓室波動的最低水位——以確定壓力管進(jìn)口高程。計算條件：上游最低水位—死水位時甩全負(fù)荷之第二波幅?；蛏嫌巫畹退弧浪粫r由時。糙率取可能的最低值。3、確定調(diào)壓室穩(wěn)定所需最小斷面。在調(diào)壓室——引水系統(tǒng)波動過程中，可能出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。所以需進(jìn)行波動的穩(wěn)定計算，以確定波動穩(wěn)定所需調(diào)壓室的最小斷面。計算條件：最小水頭（上游死水位），引水道糙率取可能的最小值?！?0—5調(diào)壓室水位波動穩(wěn)定一、水位波動穩(wěn)定條件1、假定：波動振幅無限?。珊雎远A微量，即調(diào)壓室的波動是線性的）-運(yùn)動方程理想調(diào)節(jié)，調(diào)速器非常靈敏，使出力嚴(yán)格保持常數(shù)；調(diào)速方程壓力管道的流速水頭不計；引水道直接與調(diào)壓室相連電站單獨(dú)運(yùn)行，機(jī)組效率保持不變。--不計電力系統(tǒng)、機(jī)組效率不同等影響。二、波動穩(wěn)定條件的分析1、大波動穩(wěn)定條件當(dāng)波動振幅較大時，運(yùn)動的微分方程不再是線性的。因此托馬公式不能直接應(yīng)用于大波動。非線性波動穩(wěn)定問題的嚴(yán)格解析解，目前還得不出，只能采用圖解法和數(shù)值近似。研究結(jié)果表明，如小波動的穩(wěn)定性不能保證，則大波動必然不能衰減。為了保證大波動衰減，調(diào)壓室的斷面必須大于臨界穩(wěn)定斷面，并有一定的安全裕量（1.1～1.2）。2、調(diào)壓室底部流速水頭影響對有連接管的調(diào)壓室，調(diào)壓室底部流速水頭對波動穩(wěn)定影響與水頭損失相似。故托馬公式修正如下：10-383、水輪機(jī)效率的影響在托馬公式的推導(dǎo)中，假定水輪機(jī)效率不變。實(shí)際上，水輪機(jī)效率隨著水頭和流量的變化而變化。如考慮效率的影響，則（規(guī)范推薦）穩(wěn)定斷面公式為：10-39有效水頭：水輪機(jī)效率變化系數(shù)（無因次量）： 10-40：對應(yīng)衡定流時的效率。4、電力系統(tǒng)的影響對于單獨(dú)運(yùn)行的水電站，當(dāng)調(diào)壓室水位發(fā)生變化時，只能由本電站的機(jī)組來保證出力為常數(shù)。當(dāng)電站參加電力系統(tǒng)運(yùn)行，則可以由系統(tǒng)各電站的機(jī)組共同保證系統(tǒng)出力為常數(shù)。因此減小了本電站流量變化的幅度，有利于調(diào)壓室水位波動的衰減。所以參加系統(tǒng)運(yùn)行的電站，可以減小。但系統(tǒng)的影響是很復(fù)雜的，只有在充分論證的前提下，才能考慮系統(tǒng)的影響。5、調(diào)速器的影響理論研究表明，調(diào)速器的滯后有利于波動穩(wěn)定，但調(diào)速器對波動的影響只有在對調(diào)速器的特性進(jìn)行深入分析，作出必要論證