第十四章水电站的水锤

第十四章水电站的水锤第一节水锤现象和研究水锤的目的一、水锤现象《水力学》这门课程告诉我们，当压力管道末端的流量发生变化时，管道内将出现非恒定流现象，其特点是随着流速的改变压强有较显著的变化，这种现象称为水锤（亦称水击）。图14-1为一压力管道的示意图。管道末端有一节流阀A；阀门全开时管道中的恒定流速为Vo,若忽略水头损失，管末水头为Ho,管道直径为do，水的密度为ρo。当阀门突然关闭（关闭时间=0)后，阀门处的流速为零，管道中的水体由于惯性作用，仍以流速Vo流向阀门，首先使靠近阀门dx长的一段水体受到压缩，如图14-1（a），在该段长度内，流速减为零，水头增至Ho+△H,水的密度增至ρo+△ρ,管径增至do+△d。由于dx上游水体未受到阀门关闭的影响，仍以流速Vo流向下游，使靠近dx上游的另一段水体又受到压缩，其结果使流速、压强、水的密度和管径变化与dx段相同。这样，整个压力管道中的水体便逐步被压缩。水头变化△H称水锤压强，其前峰的传播速度c称水锤波速。当时间t=L/c（L为管长）时，水锤波传到B点。B点的左边为水库，压强不变，右边的压强比左边高△H,不能平衡，管道中的水体被挤向水库，其流速为Vo,使管道进口的压强恢复到初始状态Ho,水的密度和管径也恢复到初始状态ρo和do.可以看出，水锤波在B点发生了反射，反射波的绝对值与入射波相同，均为△H,但符号相反，即由升压波反射为降压波，故B点的反射规律为异号等值反射，这是水库对水锤波反射的特点。B点的反射波以速度c向下游传播，反射波所到之处，消除了升压波的影响，使管道中水的压强、密度和管径都恢复到初始状态，但流速方向与初始状态相反，见图14-1(b)。当t=2L/c时，管道中的压强虽恢复正常，但其中的水体仍以流速Vo向上游流动，由于阀门是关闭的，要求流速为零，故此向上游的流速Vo必然在阀门处引起一个压降△H，可以看出，水库反射波在阀门处再一次发生反射，其数值和符号均不变，即降压波仍反射为降压波，故A点的反射规律为同号等值反射，这是阀门完全关闭状态下的反射特点。阀门处的反射波仍以速度Vo向上游传播，所到之处，管道内压强降为Ho-△H,管径减为do-△d,水的密度变为Po-△P,流速变为零，如图14-1（c）所示。当t=3L/c时，阀门的反射波到达B点，B点右边管道中的压强比左边水库低△H，压强仍不能平衡，水库中的水体必然以流速Vo挤人水管，使水管的压强逐步恢复正常，如图14-1(d）。可见，水库将阀门反射回来的降压波又反射成升压波，以速度c传播回去，其值仍为△H,这是符合水库的“异号等值”反射规律的。当t=4L/c时，水库第二次的反射波又到达A点，此时整个压力管道中的压强和流速都恢复到初始状态。因此，时间t=4L/c称为水锤波的“周期”。此后水锤现象又重复以上过程。水锤波在管道中传播一个来回的时间t=2L/c,称为水锤波的“相”，两相为一周期。图14-1压力管道水锤示意图以上讨论忽略了摩阻的影响，摩阻的存在将带来能量的损耗，实际上，水锤波在管道中的传播不是一个振幅不变的持续振荡，而是逐渐衰减趋于消失。实际上阀门不可能突然关闭，总有一定的历时，其水锤现象比突然关闭情况要复杂得多，但上述水锤波传播和反射的规律仍然适用，下面我们将逐步加以讨论。压力管道的末端装有水轮机，改变流量的机构为导叶或阀门。引起水轮机流量变化的原因很多，可归纳为两类。1、水电站正常运行情况下的负荷变化电力系统的负荷是随着时间改变的，如水电站担任峰荷或调频，则其负荷和水轮机的流量将时刻处于变化之中，但这类变化一般比较缓慢，由此引起的水锤现象一般不起控制作用。在水电站正常运行中也可能发生较大的负荷变化，例如，系统中某电站突然事故停机或投人运行，某大型用电设备的启动或停机，等等，都可能要求本电站突然带上或丢弃较大负荷，以适应系统的供电要求。2、水电站事故引起的负荷变化引起水电站丢弃全部或部分负荷的事故有：输电线或母线短路，主要设备发生故障（如水轮发电机组轴承过热、调速系统故障等）及有关建筑物发生事故等等。输电线或母线短路，视主结线形式和短路性质，可能迫使水电站丢弃全部负荷或部分负荷；主要设备故障一般只使发生故障的机组停机。水电站事故引起的负荷变化一般较大，常是水锤计算的控制情况。二、研究水锤现象的目的水锤现象是各类水电站所共有。研究水锤现象的目的可归纳为以下四种。(l)计算水电站过水系统的最大内水压强，作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据。(2）计算过水系统的最小内水压强，作为布置压力管道的路线（防止压力水管内发生真空）和检验尾水管内真空度的依据。(3）研究水锤现象与机组运行（如机组转速变化和运行的稳定性等）的关系。(4）研究减小水锤压强的措施。水锤现象也往往是引起压力管道和机组振动的原因之一。对于明钢管，应研究水锤引起管道振动的可能性。