水锤计算方法.doc

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1、第一节概述一、水电站的不稳定工况机组在稳定运行时，水轮机的出力与负荷相互平衡，这时机组转速不变，水电站有压引水系统(压力隧洞、压力管道、蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态。在实际运行过程中，电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。此时水电站的自动调速器迅速调节导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为

2、水电站的不稳定工况。其主要表现为：(1)引起机组转速的较大变化由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。反之增加负荷时机组转速降低。(2)在有压引水管道中发生“水锤”现象当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，即产生水锤。导叶关闭时，在压力

3、管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。反之导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。(3)在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。无压引水系统中产生的水位波动计算在第八章已介绍。二、调节保证计算的任务水锤压力和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。调节保证计算的任务及目的是：(1)计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据之一；最小内水压力作为压力管道线路布置、防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据。(2)计算丢弃负荷和增加

4、负荷时的机组转速变化率，并检验其是否在允许范围内。(3)选择水轮机调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。(4)研究减小水锤压力及机组转速变化率的措施。第二节水锤现象及其传播速度一、水锤现象在水电站运行过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因，而突然启闭水轮机导叶时，由于水流具有较大惯性，进入水轮机的流量迅速改变，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，这种变化是交替升降的一种波动，这种现象称为水锤。图9－1　压力水管水击过程要正确解释和理解水锤现象及其实质，在研究水锤过程中必须考虑水的压缩性及管壁弹

5、性的影响。为了便于说明问题，假定水管材料、管壁厚度、直径沿管长不变，不计管道摩阻损失，阀门突然关闭，见图9-1。水锤现象有下面几个典型的过程。(1)t=0~L/a。当阀门突然关闭(即关闭时间Ts=0)后，在dt1时段内，紧靠阀门处管段dx1中的水体首先发生变化，流速由V0变为零，压力上升为H0+△H；与此同时，水体被压缩，水的密度变成为ρ+△ρ管壁膨胀，从而腾出了空间，得以容纳dx1以上管段仍以V0速度流动来的水体。也就是说，在dt1时段内，dx1管段以上仍未受到水锤的影响。之后依次再经dt2、dt3、…时段，在dx2、dx3、…管段中流速、压

6、力将相继发生同样的变化，见图9-1(a)。这样，一段接一段地将阀门关闭的影响向上游传播，压力增加如同波一样自阀门A处沿管道逐渐向上游传播，这就是水锤波，其传播速度称之为水锤波速a，变化的压力△H称为水锤压力。使压力增加的波为增压波，使压力降低的波叫降压波。经过L/a时间，水锤波达到管道进口处，此时，整个水管内的流速V0降为零，压力上升为H0+△H。(2)t=L/a~2L/a。当t=L/a时，水锤波将传至水库点D处，由于D点右端管道内压力为H0+△H，而左端水库保持不变为H，因此“边界”处的水体不能保持平衡，管道中的水体在△H压差作用下将逆流向水

7、库。在t=L/a后的dt1时段内，首先是紧靠水库dxn管段内发生变化，流速将由0变为-V0，压力由H0+△H变为H0；管壁及水体随着水锤压力的消失恢复至原状。同理接再经dt2、dt3、…时段，在相应dxn-1、dxn-2、dxn-3…管段中将发生同样的变化，如图9-1(b)。直到t=2L/a时刻，整个管道中的压力、流速、管径及水的密度均恢复到初始状态。这说明，水锤波在水库处要发生反射，反射特点是“等值异号”反射，即反向波与入射波的数值相同，均为，但符号相反，升压波反射为降压波。(3)t=2L/a~3L/a。当t=2L/a时，水锤波传播到阀门处A

8、点，由于阀门已关闭，加之水流的惯性作用，管道中的水继续流向水库。在t=2L/a~3L/a时段内，首先是紧近阀门dx1管段内发生变化，依次传到dx2、d