水锤现象及过程

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。