第八章水电站的水击与调节保证计算,第一节 水击现象及传播速度 第二节 水击最大值的计算 第三节 机组转速变化计算 第四节 减小水击压强的措施 第五节 调压室,第一节 水击现象及传播速度,一、水击现象及其危害 二、水击波的传播速度 三、直接水击与间接水击 四、研究水击的目的,一、水击现象及其危害 （一）水击现象 （二）水击传播过程 （三）水击的危害,（一）水击现象,伴随着压力管道内水流流速的突然改变而产生压强升高(或降低)的现象称为水击现象,动画演示,（二）水击传播过程 第一状态: 0t≤L/a 第二状态: L/a t≤2L/a 第三状态: 2L/a t≤3L/a 第二状态: 3L/a t≤4L/a,（三）水击的危害 水击现象对水电站有压引水系统和机组的运行均有不利影响若水击压强升高过大，可能会导致压力水管强度不够而爆裂；若尾水管中的水击压力降低过多，形成过大的负压，可能使尾水管发生严重的汽蚀，水轮机运行时机组会产生强烈振动；水击压力的上下波动，将影响机组稳定运行和供电质量；同时，水击现象还可能引起明钢管的振动破坏因此，为了保证工程运行的安全可靠，必须研究水击现象，以便采取工程措施，防止水击压强过大，避免对工程带来危害。
二、水击波的传播速度,水击波的传播是水击现象的主要特征，水击波速是水击研究的重要参数，其大小主要与压力水管的直径D，管壁厚度，管壁（或衬砌）材料的弹性模量和水的体积弹性模量等因素有关根据水流连续性原理和动量定律，并计及水体的压缩性与管壁的弹性，可得水击波传播速度为：,明钢管：,钢筋混凝土管：,计算水击波速度时，对于不同的管材K值是不同的,埋藏式钢管：,坚固岩石中的不衬砌隧洞：,对于缺乏资料的情况下水击波的速度可按以下数据:明钢管1000m/s;埋藏式钢管1200m/s,三、直接水击与间接水击 若阀门（或导水叶）开度的调节时间 ，则在水库反射波到达水管末端的阀门之前，阀门开度变化已经结束阀门处的最大水击压强不会受水库反射波的影响，这种水击称为直接水击，其数值很大，工程中应绝对避免 若＞ ，则当阀门尚未完全关闭时，从水库反射回来的第一个降压顺行波已达到阀门处，从而使阀门处的水击压强在尚未达到最大值时就受到降压顺行波的影响而减小这种水击称为间接水击，是经常发生的水击现象四、研究水击的目的 （1）计算水电站引水系统水击压强的最大升高值，以确定压力管道、蜗壳和水轮机强度设计的最大内水压强，作为强度设计或校核的依据； （2）计算水电站引水系统水击压强的最大降低值，以确定其最小内水压强，作为布置压力管道路线（防止压力水管发生真空）及校核尾水管内真空度的依据； （3）研究水击与机组稳定运行的关系。
水击压强的最大升高值与最大降低值是机组调节保证的依据； （4）研究降低水击压强的措施第二节 水击最大值的计算 一、水击的连锁方程 二、水击计算的边界条件 三、简单管道最大水击值的计算 四 、复杂管道的水击计算方法 五、水击压强沿管线的分布,一、水击的连锁方程 （一）水击的基本方程 (8-8) (8-9) 两式加减处理得： (8-10) (8-11),,,,（二）水击特征方程 如图8-4所示，观察压力管道中A、B两点，B点在A点上游，设向上游为x正方向令：某逆行水击波在t1时刻传到A点时该处的压强水头为 ，流速为 ，该水击波在t2时刻传到B点时该处压强水头 ，流速 将此情况代入式（8-10），整理后得： (8-12) 同理，对于顺行波可得： （8-13）,,,,,,,（三）水击连锁方程 水击特征方程无量纲形式成为连锁方程逆行波,顺行波,,式中：,利用上两式可求得水击发生过程的全部解因必须逐次连锁求解，故称为水击连锁方程该方程的适用条件是管道的材料、管壁厚度及管径沿管长不变二、水击计算的边界条件 1、初始条件 初始条件是阀门（或导水叶）尚未发生变化的情况，此时管道内水流为恒定流，其平均流速为V0，电站静水头为H0。
2、边界条件,（1）阀门端A : （2）封闭端A′: （3）压力水管进口端B: （4）管径变化点C : （5）分岔点D :,,,,,,,,三、简单管道最大水击值的计算 水击计算的两个假定： （1）水轮机导叶（或喷嘴）的出流条件符合孔口出流这一假定对冲击式水轮机是适合的，对反击式水轮机是近似的 （2）在TS时段内导叶（或喷嘴）的开度变化与启闭时间成直线关系关闭时：,开启时：,（一）直接水击计算,,直接水击压强往往很大，例如当起始流速V0=5m/s、a =1000m/s的压力管道上，突然快速全部关闭，则： m，直接水击数值很大，因此，应当避免发生直接水击二）间接水击计算 间接水击是水电站压力引水系统中经常发生的水击现象根据对水击现象的研究，对于阀门（或导叶）依直线规律启闭的简单管时，间接水击最大值的发生只有第一相水击和末相水击两种情况最大值发生在水击第一相末时称为第一相水击，发生在阀门关闭终了那一相末的水击称为末相水击1.第一相水击计算,,阀门关闭时：,阀门开启时：,简化公式：,阀门关闭时：,阀门开启时：,,,2.末相水击计算,,,简化公式：,,,3、第一相水击和末相水击的判别,水击的类型可以根据ρτ0和σ的值从图中查出。
图中有6个区域，根据ρτ0和σ 两坐标交点落在的区域即可判别水击的类型值得注意的是：应用简化公式计算出的ξ值必须小于0.5，否则不能采用简化公式计算四、复杂管道水击计算简化方法 实际工程中经常遇到的是复杂管路系统复杂管路可分为串联管、分岔管和考虑蜗壳和尾水管影响的管道系统三种类型串联管,分岔管,（一）串联管水击计算的简化方法 在实际工程中常用“等价水管法”简化计算串联管是设想用一根等价的简单管来代替串联管，该等价简单管在管长、管中水体动能及水击波传播时间等方面与被代替的原串联管相同 （1）等价管的总长与原串联管相同,,（2）等价管中水体动能与串联管相同,,（3）等价管中水击波传播时间与串联管相同，,,,,等价简单管的两个平均水管特性系数为：,,（二）分岔管水击计算的简化方法,设想将由主管供水的所有机组合并成一台大机组，装在一根最长的支管末端其引用流量为各机组引用流量之和，最长支管的横断面积为各支管横断面积之和，主管横断面积不变这样，将布置有分岔的复杂管路首先简化作串联管，然后再用上述“等价管法”进行水击计算当主管很长而支管相对而言很短时，采用这种简化方法其计算精度一般可满足工程要求，但当主、支管长度相差不太大的情况（例如对于布置有分岔管的低水头电站），其计算结果是相当粗略的。
三）考虑蜗壳和尾水管影响的管道系统的水击计算,水轮机在导叶突然启闭时，其蜗壳和尾水管也将发生水击，蜗壳相当于压力水管的延续部分，其水击现象与压力管道中的水击现象相同；尾水管位于导叶之后，其水击现象与压力管道中的水击现象相反高水头、长压力管道的电站，因蜗壳和尾水管相对很短，对水击影响可忽略不计；但对低水头、短压力管道水电站，蜗壳和尾水管的长度占电站压力引水系统比重较大时，应当考虑其影响 由于蜗壳和尾水管中的流态极为复杂，断面又沿长度变化，故水击计算目前只能近似求解常用的方法是将压力管道、蜗壳和尾水管看作串联管，用前述“等价管法”求出总水击压强，然后再按各段的动能比值分配水击压强值在求出Lm、Vm 、am 、ρm和σm后，即可根据压力管道、蜗壳和尾水管中水体动能所占比例将ξ或η值进行分配：,,压力水管末端：,或,蜗壳末端：,或,尾水管进口：,或,五、水击压强沿管线的分布 （一） 末相水击压强沿管线的分布规律,研究证明，当压力水管末端出现极限（末相）水击时，无论是正水击还是负水击，管道沿线的最大水击压强均按直线规律分布，如图中实线所示,（二）第一相水击的分布规律,研究证明，第一相水击压强沿管线不依直线规律分布，其中正水击的压强分布曲线是上凸的，负水击的压强分布曲线则是下凹的，如图中虚线所示。
关闭阀门时，任意点C的最大水击压强可按下式近似求得：,,,式中,从上式可以看出，等式右边第一项是管长为L时，A点在第一相末的水击压强值；第二项相当于将水库移至C点，使管长变为L—l时，A点在第一相末的水击压强值而任意点C的最大水击压强值则为二者之差，故此方法称为“水库移置法”,阀门开启时，任意点C在第一相末的最大水击压强可按“缩短管路法”计算 ：,,绘制水击压强沿管路的分布图时，可根据管路布置情况选择几个有代表性断面，用上述方法求出各断面的最大正、负水击压强值对于丢弃负荷的正水击分布图，可不计水头损失，在最高静水位线以上绘制；对于增机负荷的负水击分布图，宜计入水头损失，并在最低静水位线以下绘制作为反水击的负水击分布图不计水头损失在最低静水线以下绘制第三节 机组转速变化计算 一、“原苏联列宁格勒金属工厂”公式,丢弃负荷时 ：,增加负荷时 ：,二、《长江流域规划办公室》公式,,,,,近年来，科学技术及机组制造水平的发展提高，机组转速变化率值的规定范围有提高的趋势目前，我国某些水电站实际运行中的值已超过40%,第四节 减小水击压强的措施 一、缩短压力管道的长度 二、减小压力管道的流速 三、采用合理的导叶（阀门）启闭规律 四、设置调压阀（空放阀） 五、设置水阻器 六、设置折向器（偏流器）,,,,,,一、缩短压力管道的长度 缩短压力管道的长度，可减小水击波的传播时间，从进水口反射回来的水击波能较早地回到压力管道的末端，增加调节过程中的相数，加强进口反射波削弱水击压强的作用，从而降低水击压强。
在比较长的压力引水系统中，可在靠近厂房的适当位置设置调压室，利用调压室具有较大的自由水面反射水击波，实际上等于缩短了管道的长度，这是一种有效地减小水击压强的工程措施调压室工作可靠，对于水电站突然丢弃或增加负荷均起作用，但造价较高，应通过技术经济分析，决定是否设置二、减小压力管道的流速 减小流速可减小压力管道的特性系数和值，从而减小了水击压强值但是水电站在运行中，设计要求的流量是一定的，减小流速需得加大管道断面，增加管径而管径一般由动能经济计算确定，加大管径必然增加投资，往往是不经济合理的一般只有在计算出的水击值略大于其容许的情况下，适当加大管道断面才可能是经济合理的三、采用合理的导叶（阀门）启闭规律 在调节时间一定的情况下，采取合理得导叶（或阀门）的启闭规律能有效降低水击压强值目前，工程中常采用分段关闭规律以有效减小水击压强：在中低水头电站中，一般出现末相水击，应采用先快后慢的关闭规律；在高水头电站中，常出现第一相水击，宜采用先慢后快的关闭规律四、设置调压阀（空放阀） 减压阀又称空放阀，一般装置于压力水管末端或蜗壳上，当机组丢弃负荷时，在 导叶关闭的同时，调压 阀开启，一部分机组引 用流量经由调压阀流向 下游，从而减小了水管 中流量的改变量，也即 减小水击值。
在导叶关 闭终了后，调压阀则自 动缓慢关闭五、设置水阻器 水阻器是一种利用水阻抗消耗电能的设备，它与发电机母线相联当机组突然丢弃负荷时，通过自动装置使水阻器投入，将机组原来输出的电能消耗于水阻抗中，然后在一个较长的时段内将导叶关闭，这样就延长了关闭时间，从而减小了水击压强水阻器造价低但运行可靠程度较差，而且当电站突然增加负荷时不起作用，故一般用于小型电站六、设置折向器（偏流器） 折向器是一种设置在冲击式水轮机喷嘴出口下方的偏流设备当机组丢弃负荷时，调速器使折向器在1～2s时间内快速启动，将射流折偏，离开转轮，以防止机组转速变化过大然后，针阀以较慢速度关闭，从而减小水击压强折向器构造简单、造价低的优点，且无需增加厂房的尺寸，但折向器在机组增机负荷时不起作用第五节 调压室 一、调压室的功用、要求及设置条件 二、调压室的布置方式及类型 三、调压室水位波动的计算 四、调压室的结构布置及构造要求,一、调压室的功用、要求及设置条件 （一）调压室的功用 （二）调压室的基本要求 （三）调压室的设置条件,（一）调压室的功用 （1）反射。