复杂管道水锤计算

第五节复杂管道水锤计算在实际工程中，常见的是复杂管路系统，共有三种类型(1)串联管:管壁厚度、直径和材料随水头增加自上而下逐段改变。(2)分岔管:

这在分组供水和联合供水中经常遇到。(3)蜗壳和尾水管:装有反击式水轮机的管道系统，应考虑蜗壳和尾水管的影响，而且其过流特性与孔口出流不一样，流量不仅与作用水头有关，而且与水轮机的机型和转速有关。一、串联管水锤的简化计算等价水管法:把串联管转化为等价的简单管来计算等价原则：管长、相长、管中水体动能与原管相同设一根串联管的管道特性为：L1，V1，c1；L2，V2，c2；……；Ln，Vn，cn(1)等价管的总长为： (2)根据管中水体动能不变的要求:

LVm=L1V1+L2V2+……+LnVn=∑LiVi

，由此可得加权平均流速：

(3)根据相长不变的要求，水锤波按平均波速由断面A传到断面B所需的时间等于水锤波在各段传播时间的总和，即对于间接水锤，管道的平均特性常数为

求出管道平均特性常数后，可按简单管的间接水锤计算公式求出复杂管道的间接水锤值。

二、分岔管的水锤压力计算

分岔管的水锤计算方法之一是截肢法。特点：当机组同时关闭时，选取总长为最大的一根支管，将其余的支管截掉，变成串联管道，然后用各管段中实际流量求出各管段的流速，再用加权平均的方法求出串联管中的平均流速和平均波速，最后采用串联管的简化公式相应地求出水击值。

三、蜗壳、尾水管水锤压力计算

(1)首先将蜗壳视作压力水管的延续部分，并假想把导叶移至蜗壳的末端，尾水管也作为压力管道的一部分,把压力管道、蜗壳和尾水管组合视为一串联管，再将该串联管简化为等价简单管进行计算。设压力水管、蜗壳及尾水管长度、平均流速和水锤波速分别为LT、VT、cT；Lc、Vc、cc；Lb

、Vb、cb，则L=LT+Lc+LbVm=(LTVT+LcVc+LbVb)/L(2)以管道、蜗壳、尾水管三部分水体动能为权，将水击锤力值进行分配，求出压力管道、蜗壳末端和尾水管进口的水锤压力。 压力水管末端最大压力上升相对值为：

蜗壳末端最大水锤压力上升相对值：

尾水管进口处压力下降相对值为：注：尾水管在导叶或阀门之后，水击现象与压力管道相反。(3)求出尾水管的负水锤后，应校核尾水管进口处的真空度Hr，以防水流中断。

式中Hs—水轮机的吸出高度；Vb—尾水管进口断面在出现yb时的流速。

注：对于中高水头水电站：压力管道较长，蜗壳和尾水管的影响较小，通常可略去不计。

对于低水头水电站：必须考虑蜗壳和尾水管的影响，而尾水管的影响往往较蜗壳更为显著。

第六节机组转速变化计算

水轮机调节机构开始关闭导叶，水轮机的引用流量逐渐减小，机组出力逐渐下降，同时在引水系统产生水锤压力。当关闭到空转开度时，出力变为零，导叶关闭过程中所产生的能量，完全被机组转动部分所消耗，造成机组转速的升高。

在机组调节过程中，转速变化通常以相对值表示，称为转速变化率β。

丢弃负荷：增加负荷：一、机组转速变化率计算近似公式

(一)列宁格勒金属工厂公式增加负荷时丢弃负荷时：

(二)《长江流域规划办公室》公式

列宁格勒工厂公式未考虑迟滞时间，我国“长办”提出修正公式。当水电站突丢负荷后，由于调速系统惯性的影响，导叶经过一小段迟滞时间Tc以后才开始关闭动作，机组转速经历Tc和升速时间Tn。(Tn定义为水轮机出力自N0降到零时的历时)后达到最大值nmax。

第七节调节保证计算标准和改善调节保证的措施

一、调节保证计算标准和计算条件所谓调节保证计算标准，是指水锤压力和转速变化在技术经济上合理的允许值。这种标准在技术规范中有所规定，但这是在一定时期和一定技术水平和经济条件下制定的，应用时应结合具体情况加以确定。(一)水锤压力的计算标准1．压力升高水锤压力的最大升高值相对值：ξmax＝(Hmax-H0)/H0

当H0＞100m时，ξmax＝0.15~0.30当H0=40~100m时，ξmax＝0.30~0.50当H0＜40m时，ξmax＝0.50~0.702．压力降低在压力引水系统的任何位置均不允许产生负压，且应有2~3m水柱高的余压，以保证管道尤其是钢管的稳定和防止水柱分离。尾水管进口的允许最大真空度为8m水柱高。(二)转速变化的计算标准限制机组转速过大的变化主要是为了保证机组正常运行和供电的质量。在丢弃全负荷的情况下，主要是防止机组强度破坏、振动和由于过速引起过电压而造成发电机电气绝缘的损坏。最大转速变化值相对值βmax＝(nmax-n0)/n0表示。考虑到目前国内机组的设计、制造、运行等情况，其允许值βmax可按以下情况考虑：1．当机组容量占电力系统总容量的比重较大，且担负调频任务时，βmax宜小于45％；2．当机组容量占电力系统总容量的比重不大或担负基荷时，βmax宜小于55％；对斗叶式水轮机，βmax宜小于30％。注：当大于上述值时，应有所论证。

(三)调节保证的计算条件1．水锤压强计算条件

管道中的最大内水压强一般控制在以下两种工况：(1)

上游最高水位时电站丢弃负荷。此时电站流量和水锤压强都不是最大值，但由于管道中的静水压较高，叠加的结果可能成为控制工况。(2)设计水头下电站丢弃负荷。管道中的静水压较低，但电站的流量和水锤压力较大，叠加的结果也可能成为控制工况。管道中的最小内水压强一般控制在以下两种工况

(1)

上游最低水位时电站丢弃负荷。

导叶关闭后的正水锤经水库和导叶反射而成的负水锤；

(2)上游最低水位时，电站最后一台机组投入运行。

2．转速上升率的控制工况

设计水头+水电站丢弃全负荷。

二、减小水锤压强的措施

(一)缩短压力管道的长度缩短压力管道长度，使从进水口反射回来的水锤波能够较早地回到压力管道末端，从而减小水锤值。从管道特性系数σ＝LVmax/gH0Ts中可看出，减小L可以减小，在较长的引水系统中，设置调压室，是缩短压力管道的常用措施。二、减小水锤压强的措施

(二)减小压力管道中的流速减小流速可减小压力管道中单位水体的动量，从而减小水击压力。但是水电站在运行中要求流量是一定的，要减低流速势必要加大管径，增加管道造价。因此用加大管径办法降低水击压强，往往是不经济的，但在一定条件下，如果适当加大管径后便可不设调压室，还是比较合理的。二、减小水锤压强的措施

(三)延长有效的关闭时间延长有效的关闭时间Ts，可降低水锤压力，但使机组转速变化率β值增加，甚至超过允许值，要解决这个矛盾，可采取以下措施：

1．反击式水轮机设置减压阀(空放阀)：在蜗壳的进口附近装设减压阀。

注：减压阀在机组增加负荷时不起作用减压阀装置示意图

二、减小水锤压强的措施

2．冲击式水轮机的机组装置偏流器(折流器)偏流器构造简单，造价便宜，且无需增加厂房的尺寸，在水斗式水轮机的机组经常采用。

注：偏流器在增荷时不起作用。

3．设置水阻器

注：水阻器对于增加负荷时不起作用。二、减小水锤压强的措施

(四)选