水锤计算方法.docx

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，称为水电站的不稳定工况。其主要表现为： 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。 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。 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： 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。 计算丢弃负荷和增加负荷时的机组转速变化率，并检验其是否在允许范围内。 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。 9-i(a) 9-i(a)。 图9- i压力水管水击过程 图9- i压力水管水击过程 (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 、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。 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。 t=0~L/a。当阀门突然 关闭(即关闭时间Ts=0)后，在 dti时段内，紧靠阀门处管段 dxi中的水体首先发生变化， 流速由Vo变为零，压力上升 为Ho+^H ；与此同时，水体 被压缩，水的密度变成为 p + △ p管壁膨胀，从而腾出了空 间，得以容纳dxi以上管段仍 以Vo速度流动来的水体。也 就是说，在 dti时段内，dxi 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、压力将相继发生同样的变化，见图 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4H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 Vo降为零，压力上升为 Ho+ △ Ho 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Ho+AH,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库。在 t=L/a后的dti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-Vo,压力由Ho+AH变为Ho；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 H，但符号相反， 升压波反射为降压波