水电站新ppt课件 第九章 水电站水锤

水电站AAA武汉大学水利水电学院Tel:68772274m:chengyg2000@5/7/20231第三篇水电站水力过渡过程水锤和调压室水位波动5/7/20232机组甩负荷后会发生多种过渡过程上水库下水库上游调压室尾水调压室机组引水道尾水道压力管道尾水管蜗壳Z1Z2nn0HPHP0HSHS0aa0机组甩负荷后会发生：导叶关闭、机组转速上升、蜗壳压力上升、尾水管压力下降、上游调压室水位上升、下游调压室水位下降等现象。水电站引水系统过渡过程示意图5/7/20233过渡过程:由一个稳定状态到另一个稳定状态的中间的非恒定过程水力过渡过程压力管道水锤压力变化过程尾水管水锤压力变化过程调压室水位变化过程机械过渡过程机组转速变化过程调速器动作过程Z1Z2nn0HPHP0HSHS0aa0转速上升相对值水锤压力相对值5/7/20234水锤发生的原因是水体具有惯性和流速的改变水锤的发生符合Newton第二定律物体所受的力等于物体质量与物体加速度的乘积物体质量对应与物体惯性加速度对应于流速的改变管道中水流加速或减速必然引起压力上升或下降机组甩负荷后,导叶关闭,流量下降,水流减速蜗壳和压力管道中压力上升尾水管中压力下降机组启动时,导叶开启,流量增加,水流加速蜗壳和压力管道中压力下降尾水管中压力上升HPHP0HSHs0HSHS0HPHp05/7/20235机组转速变化的原因是机组具有惯性和水轮机动力矩和发电机阻力矩的不平衡机组转速变化符合动量矩定律(Newton第二定律)旋转物体所受的力矩等于物体转动惯量与物体转动角速度变化率的乘积力矩对应于水轮机的动力矩和发电机阻力矩之差力矩的不平衡必然引起机组转速的变化机组甩负荷后,发电机阻力矩为0,水轮机导叶关闭,水轮机动力矩减小,需要一个过程才能为0.导叶关闭和力矩之差有一变化过程机组转速上升aa0MtMt0nn05/7/20236水锤压力和机组转速上升是矛盾的水锤压力和机组转速变化大小均与调节(关闭或开启)时间及规律有关甩负荷后,导叶关闭快,蜗壳和压力管道水锤大,机组转速上升小甩负荷后,导叶关闭慢,蜗壳和压力管道水锤小,机组转速上升大水锤压力上升过大,会对蜗壳和压力管道结构安全带来影响,转速上升过大,会对机组安全和供电质量带来影响导叶关闭时间TS

水锤压力上升率ξ机组转速上升率

β导叶关闭时间TS

水锤压力上升率ξ机组转速上升率

β5/7/20237调节保证计算:计算水锤压力和机组转速上升值,并协调他们之间的矛盾调节:水轮机调节,即导叶的开启和关闭,这是由调速器实现的保证:使水锤压力和机组转速上升均在规范允许范围内规范对甩负荷最大转速上升率保证值规定5/7/20238调节保证计算:计算水锤压力和机组转速上升值,并协调他们之间的矛盾规范甩负荷工况蜗壳最大压力上升率保证值规定5/7/20239本篇主要学习水锤、机组转速上升、调压室波动的理论和计算方法目的是为水轮机、引水系统和调压室的设计，及机组运行提供依据上水库下水库上游调压室尾水调压室机组引水道尾水道压力管道尾水管蜗壳Z1Z2nn0HPHP0HSHS0aa0水电站引水系统过渡过程示意图5/7/202310第九章水电站的水锤

Waterhammer5/7/2023119.1水锤现象和研究水锤的目的列车突然机车停止产生的”车锤”现象5/7/202312简单管阀门突然关闭后的水锤现象：水锤的传播与反射简单管：上游为水库，下游为阀门，中间管道特性沿程不变的水力系统。水库水位：恒定，Hres=const。阀门开度：瞬时变为0，阀门流速瞬时由V变为05/7/202313简单管阀门突然关闭后的水锤现象：水锤的传播与反射5/7/202314假设：（1）简单管：管材、壁厚、管径沿管长不变。（2）不计摩阻。（3）考虑管道和水体的弹性。几个名词：①水锤波

；②水锤压力；③水锤波入射、反射，水库端异号等值反射，封闭端同号等值反射；④相长：水锤波传播一个来回的时间

；⑤周期：。BBBBAAAA5/7/202315时段流速变化流速方向压强变化压强传递方向运动状态水体状态水阀库门增高阀水门库减速增压压缩阀水门库恢复原状水阀库门减速减压恢复原状阀水门库降低阀水门库膨胀水阀库门恢复原状水阀库门增速增压恢复原状增速增压tV0vvtr2tr库端B点流速tHH0∆H∆Htr2tr阀端A点压力5/7/202316时段流速变化流速方向压强变化压强传递方向运动状态水体状态水阀库门增高阀水门库减速增压压缩阀水门库恢复原状水阀库门减速减压恢复原状阀水门库降低阀水门库膨胀水阀库门恢复原状水阀库门增速增压恢复原状增速增压tHH0∆H∆Htr2tr阀端A点压力tV0vvtr2tr库端B点流速5/7/202317时段流速变化流速方向压强变化压强传递方向运动状态水体状态水阀库门增高阀水门库减速增压压缩阀水门库恢复原状水阀库门减速减压恢复原状阀水门库降低阀水门库膨胀水阀库门恢复原状水阀库门增速增压恢复原状增速增压tV0vvtr2tr库端B点流速tHH0∆H∆Htr2tr阀端A点压力5/7/202318时段流速变化流速方向压强变化压强传递方向运动状态水体状态水阀库门增高阀水门库减速增压压缩阀水门库恢复原状水阀库门减速减压恢复原状阀水门库降低阀水门库膨胀水阀库门恢复原状水阀库门增速增压恢复原状增速增压tV0vvtr2tr库端B点流速tHH0∆H∆Htr2tr阀端A点压力5/7/202319简单管阀门突然关闭后的水锤现象：水锤的传播与反射5/7/202320研究水锤现象的目的：为水电站设计和运行提供依据计算水电站过水系统最大内水压强，作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；计算过水系统最小内水压强，作为布置压力管道的路线（防止管道内产生真空）和检验尾水管内真空度的依据；H0∆H∆H5/7/202321研究水锤现象的目的：为水电站设计和运行提供依据选择合理的启闭时间和启闭规律，正确解决水击压力、转速变化之间的矛盾，使之均在合理、经济的允许范围内；研究减小水锤压强的措施。t导叶折线关闭规律5/7/2023229.2水锤基本方程和水锤波的传播速度水锤基本方程根据物质守恒和动量守恒定律得到，《水力学》中已有推导。基本方程包括连续方程和动量方程V—管道中的流速，向下游为正；H—压力水头；x—距离，以管道进口为原点，向下游为正；t—时间；c—水锤波速；g—重力加速度；D—管道直径；f—摩阻系数。5/7/202323水锤方程可简化为标准双曲方程（波动方程），可得到解析解对流项（包含V为系数的项）相对较小，可略去；摩阻项也可略去。连续方程动量方程5/7/202324简化的水锤基本方程的解析解可用波函数表达的通解是、

称为波函数。

是以速度

沿

轴负方向，向上游传播的水击波，称为逆流波，它是所有逆流波的总和；同理，

是以速度

沿

轴正方向，向下游传播的水击波，称为顺流波，它是所有顺流波的总和。5/7/202325波函数具有以波速传播而大小不变的性质这两个波函数的性质是：

和

的组合关系不变，函数值不变逆流波

时刻

时刻也就是同样地，顺流波有Fx5/7/202326波函数具有以波速传播而大小不变的性质

和

的组合关系描述了波函数在

平面上的传播轨迹，称为特征线

沿特征线传播时数值不变

沿特征线传播时数值不变

波函数的具体大小由边界条件决定txfF5/7/202327水锤波是弹性波，其波速决定于管道弹性水锤波速定义水锤波速的影响因素水的弹性模量管壁的材料管道形状、管径和管壁厚度

波速计算公式管道越硬（抗力大），波速越大水体弹模和容重管道半径管道抗力系数，各种管道有不同的表达式1435m/sC=1000~1200m/s

明钢管埋管5/7/2023289.3水锤计算的解析法水锤分为直接水锤和间接水锤根据阀门关闭时间与一相时间的大小区分直接水锤间接水锤

，水库反射波到达管道末端之前，开度变化已结束

，开度变化终了之前，水库反射波已到达阀端，影响阀端的压力变化阀端的水锤压力只受向上游传播的逆流波F的影响阀端的水锤压力受向上游传播的逆流波F的影响，也受反射回来的顺流波f的影响阀门端水锤压力可直接计算得到阀门端水锤压力要用水锤连锁方程求解数值较大数值相对较小5/7/202329直接水锤可直接计算出，其数值很大，要避免发生①关闭阀门，流速减小，水锤压力为正，发生正水锤；②开启阀门，流速增大，水锤压力为负，发生负水锤；③水锤压力仅与流速变化和水击波速有关，而与开度的变化速度、变化规律以及管道长度无关；④直接水锤产生的压力是巨大的，在水电站中绝对不允许出现直接水锤。例如：若管中初始流速V0=5m/s，波速c=1000m/s，g取10，在机组丢弃全负荷时若发生直接水锤，ΔH将达500m，因此水电站中直接水锤是应当绝对避免的通解令顺流波f=0，并在两式中消去F00得5/7/202330间接水锤需要根据初始条件和边界条件，应用水锤连锁方程计算初始条件：水轮机开度未发生变化时，管道中为恒定流，此时压强H0和流速V0是已知的，它们是初始条件边界条件：在阀门和水库等流态变化处应满足得条件水库边界条件水库水位恒定，即ΔH=0，或ξ=0称为异号等值反射封闭端边界条件流速为0，即V=0称为同号等值反射5/7/202331间接水锤需要根据初始条件和边界条件，应用水锤连锁方程计算阀门边界条件正常运行时，孔口处(或管中)最大流量负荷变化后，孔口处(或管中)流量相对流速为反射特性为减值异号或减值同号阀门相对开度水锤上升相对值阀门过水面积和流量系数管道过水面积和流速v5/7/202332水锤通解方程可变为无量纲形式以备后面推导水锤连锁方程应用带量纲形式无量纲形式其中称为管道特性常数，反映管道中水体动能与势能的比值，对水锤压力的变化特性有影响阀门的边界条件在情况下近似为两边同除两边同除5/7/202333水锤连锁方程由水锤通解方程和阀门和水库的边界条件推导出第一相末t=tr，水库反射回来顺流波所以得000BA5/7/202334水锤连锁方程由水锤通解方程和阀门和水库的边界条件推导出第二相末t=2tr，水库反射回来顺流波所以得BA5/7/202335水锤连锁方程由水锤通解方程和阀门和水库的边界条件推导出第二相末t=3tr，水库反射回来顺流波所以得BA5/7/202336水锤连锁方程由水锤通解方程和阀门和水库的边界条件推导出第二相末t=ntr，水库反射回来顺流波所以得BA5/7/202337水锤连锁方程是在已知开度规律情况下，由第一相起，连锁向后推求各相水锤压力连锁方程为一递推公式，需逐项求解，欲求必须先求出该方程是隐式方程，不能直接显式表达，要迭代求解适应于任意关闭规律的水锤压力过程求解5/7/202338水锤波在边界处会发生反射和透射，反射系数根定义为反射波与入射波的比值边界：水库进口、分岔处、变径处、阀门等反射系数：反射波与入射波的比值透射系数：透射波与入射波的比值入射波和透射波的关系12入射波反射波透射波5/7/202339各边界的水锤波反射系数可根据边界方程和水锤通解方程求出通解方程水库进口分闭端串联管12异号等值射波同号等值射波5/7/202340各边界的水锤波反射系数可根据边界方程和水锤通解方程求出串联管125/7/202341各边界的水锤波反射系数可根据边界方程和水锤通解方程求出阀门5/7/202342简单管阀门直线关闭时，有一相水锤和末相水锤两种水锤类型水电站导叶开度变化规律如右图开始阶段有一迟滞时间结束阶段有一缓冲过程有效关闭时间一相水锤：最大水锤压力发生在一相时刻末相水锤：最大水锤压力发生在末相5/7/202343一相水锤和末相水锤不同现象的产生原因在于阀门的反射特性不同阀门反射系数为若，，发生同号减值反射，若，，发生异号减值反射，前一相阀门处逆流波阀门不断关闭产生的升压波水库反射回来的顺流波阀门反射产生的逆流波5/7/202344一相水锤的判别式是

末相水锤的判别式是一相水锤是指最大压力出现在第一相末的水锤，其判别条件末相水锤也称极限水锤，其最大压力出现末相，趋近于，其判别条件管道特性常数大小主要与水头有关高水头，很可能，发生一相水锤低水头，很可能，发生末相水锤水头临界值大约5/7/202345一相水锤的和末相水锤的最大水锤压力公式可用水锤连锁方程求得一相水锤水锤特性常数5/7/202346一相水锤的和末相水锤的最大水锤压力公式可用水锤连锁方程求得末相水锤5/7/202347一相水锤和末相水锤的讨论一相水锤和末相水锤的区别是在如下假定下区分的简单管（水库—阀门，忽略摩阻）阀门直线关闭用或判断水锤类型是近似的，比较详细的的判断可根据

和

两参数在右图6个区域中查询，属哪区域就会发生什么水锤5/7/202348一相水锤和末相水锤的讨论Ⅰ区，属极限正水锤范围Ⅱ区，属一向正水锤范围Ⅲ和VI区，属直接水锤范围Ⅳ区，属极限负水锤范围Ⅴ区，属一相负水锤范围5/7/202349一相水锤和末相水锤的讨论实际水电站的水锤不应称一相水锤或末相水锤，只能说是类似于一相水锤或末相水锤在高水头水电站情况下，的可能性大，可能会发生类似一相的水锤在低水头水电站情况下，的可能性大，可能会发生类似末相的水锤若，

则要求，就知道也就是临界水头5/7/202350管道特性常数和水锤特性常数均很重要管道特性常数，反映管道内水体动能和势能的比例是影响水锤类型的重要参数，但它的大小与水锤压力大小关系不密切；它主要决定于水头，而与管道长度无关水锤特性常数表示阀门开度变化时管道中水流动量的相对变化率是影响水锤大小的重要参数，既与管道长度、水头有关，也与阀门关闭快慢有关5/7/202351同一水电站，不同起始开度可能发生不同类型的水锤是判断水锤类型的依据起始开度为在部分开度时时时时发生直接水锤5/7/202352开度变化规律对水锤压力值和变化过程有明显影响曲线Ⅰ

阀门关闭速度为匀速关闭，水锤压力过程均匀曲线Ⅱ

阀门关闭速度为先快后慢，水锤压力先急速上升曲线Ⅲ

阀门关闭速度为先慢后快，水锤压力后期急速上升启闭快，水锤压力变化快；启闭慢水锤压力变化慢具体电站均要对合理的调节规律进行研究和分析5/7/202353一相水锤和末相水锤的水锤压强沿程分布不一样极限水锤：直线分布，任意点最大值一相水锤：二次曲线分布，任意点最大值5/7/202354启闭终了的开度大小对后面水锤压力变化过程有明显影响阀门反射系数时，为同号等值反射且时，不发生反射且时，为同号减值反射且时，为异号减值反射

5/7/2023559.5复杂管路的水锤计算复杂管管径、管材、管厚沿程变化的串联管；分岔管；对于反击式机组来，还需考虑蜗壳、尾水管的影响无论是串联管或分岔管，水锤波在水管特性变化处都将发生反射，从而使水锤现象更为复杂。实际工程中常把串联管简化为等价的简单管5/7/202356串联管简化为“等价简单管”的三个原则依据三个原则

得出三个参数1.长度与原管相同2.相长与原管相同3.管中水体动能与原管相同计算等价管特性常数然后按简单管水锤公式计算相应的水锤压力5/7/202357分岔管要先简化为串联管，然后再简化为等价管计算分岔管简化为串联管的方法合支法：把岔管之后所有机组合并成一台大机组。L取最长支管加未分岔的总管，为计算长度；引用流量为各机组流量之和；最长支管的断面积也用各支管断面积之和代替。截支法：截去暂不计算的支管，支管段的长度、断面积、波速和流量按自身的实际值计算。5/7/2023589.6反击式水轮机水锤压力解析计算：蜗壳、尾水管作为压力管道的串联部分反击式水轮机与冲击式水轮机（阀门）相比的特点反击式水轮机具有蜗壳和尾水管,并以导叶调节流量,其过流特性与孔口出流不完全相符反击式水轮机的转速影响水轮机的流量,而冲击水轮机的流量与转速无关当流量变化时,反击式水轮机的蜗壳和尾水管中的水锤现象是相反的简化的方法将蜗壳、尾水管作为管道的延长部分，假设把水轮机的导叶搬到尾水管之后,成其为串联管，再按“等价管”计算计算出管末最大后，然后以各部分水体动能为权再进行分配。5/7/202359反击式水轮机水锤压力解析计算：蜗壳、尾水管作为压力管道的串联部分水锤压力的具体分配为压力管道末端水锤压力蜗壳末端水锤压力尾水管进口水锤压力5/7/202360反击式水轮机水锤压力解析计算：蜗壳、尾水管作为压力管道的串联部分求出尾水管进口的相对水锤压力后，应该校核尾水管进口处的真空度

水轮机的吸出高度，m

尾水管内水锤力降低绝对值，m

尾水管进口断面出现时的流速水头，m5/7/2023619.7机组转速变化计算：调节时间内水轮机多余能量转化为机组转速变化在调节时间内，水轮机剩余能量=机组转动部分的动能增量5/7/202362机组转速变化计算：调节时间内水轮机多余能量转化为机组转速变化将5个方程联立求解，得其转速变化率计算公式为n0—额定转速,单位为r/min；I—机组转动部分的转动惯量,单位为kg.m.s2；

—为飞轮力矩,单位为t-m2；N0—额定出力,单位为Kw；Ts1—导叶关至空转开度的时间；n—积分面积的水锤修正系数，可由σ查图得到5/7/202363转速上升率计算公式：长办公式和苏联公式适用条件不同前苏联公式