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水锤计算

第九章水电站的水锤与调节保证计算

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：

(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。

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。

(1)t=0~L/a。当阀门突然

关闭(即关闭时间T s=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图9－1 压力水管水击过程

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库。在t=L/a后的dt1时段内，首先是紧靠水库dx n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dx n-1、dx n-2、dx n-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

，但符号相反，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

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、dx3…管段，到3L／a时刻，流速将由-V0变为0，压力由H0变为H0－△H，管径为D－△D，水的密度变为ρ－△ρ。当阀门全关闭时，水锤波在阀门处的反射特点是“等值同号”反射，即反向波与入射波的数值和符号不变，从水库传来降压波仍反射为降压波。

(4)t=3L/a~4L/a。当t=3L/a时，水锤波又回到水库处D点，由于管道压力比水库低△H，则D点压力不能维持平衡，因此水库的水又向阀方向流动，这时水库将阀门反射回来的降压波又反射为升压波，到t=4L/a时，管道流速将由0变为V0，压力由H0－△H0变为H0，管径、水密度都恢复到初始状态。

T=4L/a称为水锤波的“周期”。每经一个周期，水锤现象就重复一次上述过程。水锤波在管中传播一个来回的时间t r=2L/a，称之为“相”，两个相为一个周期T=2t r。

阀门突然开启时，水锤现象与上述情况相反。如果不存在水力摩阻，则上述的水锤过程将无休止地反复下去，但由于水力摩阻的存在，水锤过程不可能无休止地振荡下去，压力波因摩擦损失而逐渐衰减，在一定时段内逐渐消失。综上所述，我们可以初步得出以下几点结论：

(1) 水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。当突然启闭阀门时，由

于启闭时间短、流量变化快，因而水锤压力往往较大，而且整个变化过程是较快的。

(2) 由于管壁具有弹性和水体的压缩性，水锤压力将以弹性波的形式沿管道传播。 (3) 水锤波同其它弹性波一样，在波的传播过程中，外部条件发生变化处(即边界处)均要发生波的反射。其反射特性(指反射波的数值及方向)决定于边界处的物理特性。

二、水锤波的传播速度

在水锤过程的分析与计算中，波速是一个重要的参数。它的大小与管壁材料、厚度、管径、管道的支承方式以及水的弹性模量等有关。由水流的连续方程并考虑水体和管壁的弹性后，可导出水锤波的传播速度为

)/(11435

1/s m E

DK E

Kg a δδγ+

(9-1) 式中 K ——水的体积弹性模量，一般为2.06×103MPa ；

E ——管壁材料的纵向弹性模量(钢村E =2.06×105MPa ，铸铁E =0.98×105MPa ，

混凝土E =2.06×104MPa)；

g ——重力加速度； D ——管道内径； δ——管壁厚度。

γ/Kg 为声波在水中的传播速度，随水温度和压力的升高而加大，一般可取为

1 435m/s 。

在缺乏资料的情况下，露天钢管的水锤波速可近似地取为1 000m/s ，埋藏式钢管可近似取为1 200m/s ，钢筋混凝土管可取900m/s~1 200m/s 。

第三节水锤基本方程及边界条件

为求解水锤压力升高问题，需要建立基本方程。基本方程与相应的边界条件联立，用解析方法或数值计算方法求解水锤值及其变化过程。

一、水锤基本方程

(一)、基本方程

对有压管道而言，不论在何种情况下都应满足水流的运动方程及连续方程。当水管材料、厚度及直径沿管长不变时，其运动方程为：

02=+??+??+??V V D

x V V t V x H g

(9-2)

将管道材料及水体当作弹性体考虑，其连续方程为：

02=??+??+??x

V x V g a t H (9-3) 式中 H ——压力水头；

V ——管道中的流速，向下游为正； a ——水锤波传播速度； f —— 水流摩擦阻力系数； D ——管道直径；

x ——距离，其正方向与流速取为一致； t ——时间。

上面二式中，因流速V 与波速a 相比数量较小，故可忽略x V V

??和x

V ??项。另外，为了简化计算，使方程线性化，忽略摩擦阻力的影响。当x 轴改为取阀门端为原点，向上游为正时，如图9-2，方程(9-2)、(9-3)可简化为：

t V

x H g

??=?? (9-4) x

g a t H ??=??2 (9-5) 式(9-4)和式(9-5)为一组双曲线型偏微分方程，其通解为： )()(0a

t f a x t F H H H ++-

=-=? (9-6) ??

????+---

=-=?)()(0a x t f a x t F a

g V V V (9-7) 式中H 0和V 0为初始水头和流速；F 和f 分别为两个波函数，其量纲与水头H 相同，故可视为压力波。F (t -x /a )表示以波速a 沿x 轴负方向传播的压力波，即逆水流方向移动的压力波，称为逆流波；f (t +x /a )表示以波速a 沿x 轴正方向传播的压力波，即顺水流方向移动的压力波，称为顺流波。

任何断面任何时刻的水锤压力值等于

两个方向相反的压力波之和，而流速值为两个压力波之差再乘以－g/a 。

如果知道了t 时刻在x 位置处的水锤波函数F (t -x /a )，则当时间变为t 1=t +Δt ，研究x 1=x+a Δt 处的逆流波函数

图9-2 水击计算示意图

??? ?

?+-?+=-a t a x t t F a x t F )/(11=)/(a x t F -，

其值不变，证明了F (t -x /a )沿逆水流方向的传播特性。反之研究t 1=t +Δt 时刻在位置x 1=x-a Δt 处的顺流波函数，可以证明f (t +x /a ) 沿顺水流方向的传播特性。

(二)、水锤计算的连锁方程

若已知断面A(见图9-2)在时刻t 的压力为A

t H ，流速为A

t V ，由(9-6)和(9-7)消去f 后，得：

)(2)(00a

t F V V g a H H A t A t -=--

- 同理可写出a L t /=?时刻后B 点的压力和流速的关系：

)(2)(00a

L x t t F V V g a H H B t t B t t +-?+=--

-?+?+ 由于)/(]/)()[(a x t F a L x t t F -=+-?+，由上述二式得

()A t B t t A

t B t t V V g

a H H -=-?+?+ (9-8) 同理： ()B t A t t B

t A t t V V g

a H H --=-?+?+ (9-9) 方程(9-8)和(9-9)为水锤连锁方程。连锁方程给出了水锤波在一段时间内通过两个断面的压力和流速的关系。但前提应满足水管的材料、管壁厚度、直径沿管长不变。水锤连锁方程(9-8)和(9-9)用相对值来表示为：

)(2B

t t A t B t t A t v v ?+?+-=-ρξξ (9-10)

)(2A

t t B t A t t B t v v ?+?+--=-ρξξ (9-11)

式中0

2gH aV =

ρ 称为管道特性系数； 000H H H H H i -=?=

ξ，称为水锤压力相对值；0

V V

v =为管道相对流速。二、水锤的边界条件

应用水锤基本方程计算压力管道中水锤时，首先要确定其起始条件和边界条件。 (一)、初始条件

当管道中水流由恒定流变为非恒定流时，把恒定流的终了时刻看作为非恒定流的开始时刻。即当t =0时，管道中任何断面的流速V =V 0；如不计水头损失，水头H=H 0。

(二)、边界条件

1．管道进口。管道进口处一般指水库或压力前池。水库水位变化比较慢，在水锤计算中不计风浪的影响，认为水库水位为不变的常数是足够精确的。

压力前池的水位变化情况与渠道的调节类型有关。自动调节渠道的前池水位变化虽大，但与管道中水锤计算时间相比，变化还是缓慢的。非自动调节渠道，水位变化较小，一般只有几米，在水锤计算中也认为前池水位不变。所以管道进口边界条件为：

H p =H 0

2．分岔管。分岔管的水头应该相同，即

H p1=H p2=H p3=…=H p

分岔处的流量应符合连续条件，即

ΣQ =0

3．分岔管的封闭端。在不稳定流的过程中，当某一机组的导叶全部关闭，或某一机组尚未装机，而岔管端部用闷头封死，其边界条件为：

Q p =0

4．调压室。把调压室作为断面较大的分岔管，其边界条件为: 调压室内有自由水面，而隧洞、调压室与压力管道的交点和分岔管相同。

5、水轮机。水电站压力管道出口边界为水轮机，水轮机分冲击式和反击式，两种型式的水轮机对水锤的影响不同。

(1) 冲击式水轮机。冲击式水轮机的喷嘴是一个带针阀的孔口。水轮机转速变化对孔口出流没有影响，对冲击式水轮机，喷嘴全开时断面积为ωmax ，流量系数为φ0，根据《水力学》的孔口出流规律，过流量为：

0max 0max 2gH Q ω?=

当孔口关至ωi 时 )(20H H g Q i i ?+=?ω

一般假定：φ0=φ，均为流量系数，所以

A i i i i

gH H H g Q Q ξτωφφω+=?+=12(20

max 00max 式中：max ωωτi i =，称为相对开度，0/H H i ?=ξ 为任意时刻水锤压力相对值。

而

A i A i i i q v FV FV Q Q ===max

max , 所以 A i i A i A i q v ξτ+==1 (9-12)

这是冲击式水轮机喷嘴的出流规律，也即阀门处A 点的边界条件。

(2) 反击式水轮机。反击式水轮机有如下特点：

(i) 反击式水轮机有蜗壳、尾水管及导水叶，过流特性与孔口出流不完全相同。 (ii) 反击式水轮机的转速与水轮机的流量互相影响。

(iii) 流量突然改变时，不仅在压力管道中，而且在蜗壳、尾水管中也发生水锤。尾水管中发生的水锤现象与蜗壳相反，即导水叶关闭时发生负水锤，开启时发生正水锤。蜗壳、尾水管中的水锤影响水轮机的流量，继而又对水锤产生影响。

由此可见，反击式水轮机的过水能力与水头H 、导叶开度a 和转速n 有关。即Q=Q(H,a,n)，需要综合运用管道水锤计算方程、水轮机运转特性曲线、水轮机组转速方程等进行求解，因此增加了问题的复杂性。为了简化计算，常假定压力管道出口边界条件为冲击式水轮机，然后再加以修正。

(三) 开度按直线规律变化

水轮机导叶和阀门的关闭规律与调速系统的特性有关，实际的关闭规律如图9-3所示。从全开(τ0=1.0)到全关(τ=0)的全部历时为T Z ，曲线开始一段接近水平，关闭的速度极慢，这是由于调节机构的惯性所决定的，在这段过程中，引起的水锤压力很小，对水锤计算没有多大实际意义。在接近关闭终了时，阀门的关闭速度又逐渐减慢，

曲线向后延伸，这种现象只对阀门关闭接近终了时的水锤压力有影响。因此为了简化计算，常取阀门关闭过程的直线段加以适当延长，得到T s ，T s 称为有效关闭时间。在缺乏资料的情况下，可近似取Ts=(0.6~0.95)T Z 。

直线规律关闭时，一个相长a

t r 2=

，一个相的开度变化s s r aT L T t 2 ==?τ，

负号表示阀门关闭；正号表示阀门开启。

第四节简单管水锤的解析计算

简单管是指压力管道的管径、管壁材料和厚度沿管长不变。

解析法的要点是采用数学解析的方法，引入一些符合实际的假定，直接建立最大水锤压力的计算公式。简单易行，物理概念清楚，可直接得出结果。

一、直接水锤和间接水锤

水锤有两种类型：直接水锤和间接水锤。

图9-3 水轮机开度变化规律

(一) 直接水锤

水锤波在管道中传播一个来回的时间为2L /a ，称为“相”。当水轮机开度的调节时间T S ≤2L /a 时，由水库处异号反射回来的水锤波尚未到达阀门之前，阀门开度变化已经终止，水管末端的水锤压力只受开度变化直接引起的水锤波的影响，这种水锤称为直接水锤。

由于水管末端未受水库反射波的影响，因此基本方程(9-6)和(9-7)中的波函数f (t+x/c )=0，然后从二式中消去F (t-x/c )得直接水锤公式 )(00V V g

H H H --

=-=? (9-13) 公式(9-13) 只适用于T S ≤2L /a 的情况，由此式可得出如下结论：

(1) 当阀门关闭时，管内流速减小，V -V 0<0为负值，△H 为正，产生正水锤；反之当开启阀门时，即V -V 0>0，△H 为负，产生负水锤。

(2) 直接水锤压力值的大小只与流速变化(V -V 0)的绝对值和水管的水锤波速a 有关，而与开度变化的速度、变化规律和水管长度无关。

当管道中起始流速V 0＝4m/s ，a ＝1 000m/s ，终了流速V ＝0时，压力升高值为：g a V V H /)(0--=?=-1 000(0-4)/9.81=407.7m ，因此在水电站中应当避免直接水锤。

(二) 间接水锤

若水轮机开度的调节时间T S ＞2L /a ，当阀门关闭过程结束前，水库异号反射回来的降压波已经到达阀门处，因此水管末端的水锤压力是由向上游传播的水锤波F 和反射回来的水锤波f 叠加的结果，这种水锤称为间接水锤。降压波对阀门处产生的升压波起着抵消作用，使此处的水锤值小于直接水锤值。

发生间接水锤时，水锤压力波的消减、增加过程是十分复杂的。间接水锤是水电站中经常发生的水锤现象，也是要研究的主要对象。

工程中最关心的是最大水锤压力。由于水锤压力产生于阀门处，从上游反射回来的降压波也是最后才达到阀门，因此最大水锤压力总是发生在紧邻阀门的断面上。下面应用前面的水锤连锁方程(9-10)和(9-11)及管道边界条件，推求阀门处各相水锤压力的计算公式。

二、计算水管末端各相水锤压力的公式 (一) 第一相末的水锤压力

(1) 设阀门为A 点，水库为B 点，水锤波从A 到B 点的连锁方程为：

)(200B t A B t A v v -=-ρξξ

边界和初始条件：t =0时，00=A ξ；在水库进水口B 点，0=B

t ξ 所以： 0)(20=-B

t A v v ρ

B t A v v =0

将A 点边界条件A

v 0001ξτ+=代入上式：

00τ==B t A v v

(2) 水锤波从B 到A 的连锁方程：

)(222A t B t A t B t v v --=-ρξξ

因0=B t ξ，0τ=B t v 和A 点边界条件A

t t A t v 2221ξτ+=，上式变为

)1(22202A

t t A t ξττρξ+--=-

因2t =t r =2L/a 为一个相长，用1表示第一相末，得到：

ξτξτ21101

-=+ (9-14)

(二) 第二相末的水锤压力

(l) 写出水锤波从A →B 的连锁方程式：

()B

t A t B t A t v v 32322-=-ρξξ

由B 点的边界条件得B

t 3ξ＝0，上式可改写成：

B t A t t A t v 322212/-+=ξτρξ

所以： ρ

ξξτ212223A t

A t

t v

-+=

(2) 写出水锤波从B →A 的连锁方程式：

()A

t B t A t B t v v 43432--=-ρξξ

把03=B

t ξ

，ρ

ξξτ212223A t A t

t B t

v -+=，和A

t t A t v 4441ξτ+=代人上式，并用2代替4t 表

示第二相末，得：

ξρξτξτ212102

A A

--=+ (9-15)

(三) 第n 相末的水锤压力

用同样原理可以得出以后任意n 相末的水锤压力计算公式，其一般公式为：

ξξρτξτ21

n n A

A n

n --=+∑- (9-16)

利用式(9-14)~(9-16)，可以依次求出各相末阀门处的水锤压力，得出水锤压力随时间的变化关系。

上面是阀门关闭情况，当阀门或导叶开启时，管道中的流速增加，压力降低，产生负水锤，其相对值用y 表示，用同样的方法可求出各相末计算公式。此时

t A t A t y v -=1τ，求出的y 本身为负值。

ρττ211

011y y +

=- (9-17) ……

ττ21

111

n i i i

n n y y

y +

=-∑-== (9-18) 上述水锤压力计算公式的条件：(1) 没有考虑管道摩阻的影响，因此只适用于不计摩阻(如水头较高、管道较短等)的情况；(2) 采用了孔口出流的过流特性，只适用于冲击式水轮机，对反击式水轮机必须另作修改；(3) 这些公式在任意开关规律下都是正确的，可以用来分析非直线开关规律对水锤压力的影响。

三、水锤波在水管特性变化处的反射

水锤发生后，水锤波在水管末端和水管特性变化处(水管进口、分岔、变径段、阀门等)都要发生反射。当入射波到达水管特性变化处之后，一部分以反射波的形式折回，一部分以透射波的形式继续向前传播。

反射波与入射波的比值称反射系数，以r 表示。透射波与入射波的比值称透射系数，以s 表示，两者的关系为

1=-r s (9-19) (一) 水锤波在水管末端的反射

水锤波在水管末端的反射特性取决于水管末端的出流规律。对于水斗式水轮机，其喷嘴的出流规律为ξτ+=1v ，当5.0≤ξ时，可近似地取为)2/1(ξτ+=v 。在入射波未达到的时刻，00=ξ，τ=0v 。

设有一入射波f 传到阀门后发生反射，产生一反射波F 折回，由方程(9-7)得：

τξτξτg

aV g aV V V g a f F 2])21

1([)(max max 0-=-+-=--

=- 阀门处的水锤压力为入射波与反射波的叠加结果，根据式(9-6)

f F H H +==?ξ0

以上二式消去ξ，简化后得阀门的反射系数为