水电站水击及调压室 第一节水击现象及传播速度 一、水击现象及其危害 水电站机组在运行过程中，机组的出力与电力系统负荷必须保持平衡， 机组转速保持额定转速不变，但由于负荷是经常变化的，为了适应这种变化， 水轮机必须相应地经常改变进入水轮机的流量，以使机组出力与外界负荷相 平衡。水轮机引用流量的改变一般是较缓慢的。但在某种特殊情况下，如电 力系统负荷变化或水电站出现某些特殊事故等会造成机组或电站会突然丢弃 全部负荷，迫使水轮机突然切断全部引用流量。随着压力管道末端阀门（或 导水叶)的突然关闭（或突然开启），压力管道内紧邻阀门（或导水叶）的水 体流速将突然减小（或突然增大），管中内水压强将急刷升高（或急刷降低）， 水轮机尾水管中的压力也将发生相反的变化。由于水流的惯性及水体与管壁 的弹性作用影响，这种压强的升高（或降低）将以压力波的形式在压力管道 中往复传播，形成压强交替升降的波动，并伴有锤击的响声和振动，如图8-1 所示。这种由于压力管道中水流流速的突然改变而引起管内压强急剧升高（或 降低)，并往复波动的水力现象称为水击（也称水锤）现象，其压力波称为水击 波。 图8一1为一简单压力管道的示意图，管道长度L,管道末端为阀门A(或 导水叶)，B端为管道进口与水库相连处，管壁材料、厚度及管径均沿程不变
又水管进口 第一状态寸 △7 第一状态末杰流静共 第二状 +△H 第二状态末 0 。 第三状态 △H 第三状态未木流出 第四状志 西 △H 第四状态末 图8-1水击波传波过程 当电站突然丢弃全负荷时，阀门A在瞬时（关闭时间T=0)全部关闭后， 压力管道内将产生水击现象，若忽略水头损失，水击波在管道中的传播可分 为以下四种状态： 1、第一状态(0<1≤上)，在阀门突然关闭前，管中水流以流速向阀 门A方向流动。当阀门瞬时全部关闭(1=0)后，阀门处的流速变为零，但 管道中的水体由于惯性作用，仍以流速流向阀门，致使紧邻阀门A处微小 管段△X内的水体被压缩，密度增大，管中内水压强由H。增加为H。+△H, 水头升高△H,管壁产生膨胀△D,如图8-2所示。由于微小管段△X以上的水 体未受到阀门关闭的影响，仍以流速，流向阀门，使靠近微小管段△X上游的 另一水体也受到压缩，密度增大，压强升高，管壁膨胀。如此逐段传递下去， 就形成一种流速减小、压强增加并以一定速度a从阀门端A向上游传播的现 象，这种现象称为水击波的传播。由于这种水击波所到之处，压强增高△H, 故称为水击升压波。又因为水击波传播方向与压力管道中恒定流的水流方向 相反，又称为“逆行升压波”。经过1=二时间，此升压波到达水库端B处时， 2
全管水流流速为零，水击压强升高为H。+△H,水头升高△H。 一Hb+AH Do+AD △x 图8-2水击现象 2、第二状态（上<1≤），在1=上时，升压波传至水库端B处。由于 0 a B端右侧管道内的压强为H。+△H,而左侧水库具有很大的自由水面，不可能 形成压强升高，仍为H。因此，B点水体受力不平衡，压力管道内压强高于 水库压强。在不平衡力作用下，紧邻水库的管道进口微小管段内水体首先由 静止状态以反向流速y,倒流向水库，压强由H。+△H降为原来的H。,水体密 度及管径均恢复原状。随后，自水库端B至管道末端阀门端A,一段段微小 水体的压强、密度和管径也相继恢复原状，这种现象以“顺行降压波”的形 式从水库B按速度a向阀门端A传播。经过1=2L时间，此降压波到达阀门 端A处。此时，全管压强恢复为H。,水体密度和管径全部恢复原状，但压力 管道内水流以反向流速y流向水库。 3、第三状态(2业<1≤3弘)。在1=2业时，降压波到达阀门端A,由于 阀门A已经完全关闭，水流反向流动的结果，使A处水流脱离阀门及管壁而 形成真空，管径收缩，水体密度减小，压强降低△H,水流流速由，变为零。 这种现象以“逆行降压波的形式从阀门端A按速度a向上游传播，经过1=3 3
时间，降压波到达水库端B。全管压强降低为H。一△H,全管水流流速为零。 4、第四状态(3弘<1≤红)。在1=3L时，降压波传至水库端B处。由 于B端右侧管道内的压强为H。一△H,而左侧水库具有很大的自由水面，不 可能形成压强降低，仍为H。。因此，B点受力不平衡，水库压强高于管道内 压强，紧邻管道进口的库内水体在不平衡力作用下，从水库以流速，流向压 力管道，使紧邻进口的微小管段水体受到压缩，压强升高△H恢复到H。,密 度增大，管径扩张，恢复到初始状态。接着自水库端B至管道末端阀门端A 的逐段水体相继以“顺行升压波”的形式向下游传播。经过1=4上时间，此 压波传到阀门端A,此时全管水流的流速、压强、密度和管径均恢复至阀门 关闭前的初始状态。若不计管壁的摩阻作用，水击波的传播将重复上述四个 传播过程。实际上，由于管壁的摩阻作用总是存在的，故压力管道中的水击 现象会逐步衰减，并最终消失。 阀门突然开启时，同样会在压力管道内产生水击波的往返传播，不同的 是在第一状态开始时，阀门处微小管段内的水体由于首先补充水轮机流量不 足而造成压强降低△H(水头降低△H),水体密度减小，管径收缩，水击波 以逆行降压波的形式向上游水库端传播，此后水击波传播过程及物理性质均 与阀门突然关闭时完全相同。 从上述可知，水击波从1=0至！=4北完成四个播过程后压力管道内的水 流恢复到初始状态，故将T=4虹称为水击波的“周期”。而将水击波在管道中 传播一个往返所需的时间1=2亚称为水击波的“相”，两相为一个周期。 实际上，阀门关闭不可能为瞬时完成，总是存在一个时间过程（水轮机 导叶的关闭时间T=3~8s)。阀门每关闭（或开启）一个微小开度，阀门处就 产生一个水击波向上游传播，伴随着水击压强升高（或降低）△H。在阀门连 续关闭（或开启）过程中，水击波连续不断地产生，水击压强不断升高（或 降低)。 由前述传播过程知，在水击波连续往返传播过程中，水击波到达水库端B
和阀门端A时均会发生反射。若不计损失时，水库端B的反射是异号等值的， 即传入B点的升压波反射回去为降压波，传入B点的降压波反射回去为升压 波。阀门端A的反射是同号等值的，即传入A点的升压波反射回去也为升压 波，传入A点的降压波反射回去亦为降压波。因此，实际压力管道中水击波 的传播将是众多水击波往复交错的传播过程，水击压强的升高（或降低）值 也是升压波与降压波的叠加结果，情况很复杂 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，水击波的波速是研究水击现象的 重要参数。其大小主要与压力水管的管径D、管壁厚度δ、管壁材料（或衬 砌)的弹性模量E以及水的体积弹性模量E,等因素有关。根据水流连续性原 理和动量定理，并计及水体的压缩性和管壁的弹性，可推得水击波的传播速 度为： (8-1) 2E K r 式中Ew 水的体积弹性模量。在一般温度和压力下，E。=2.06× Pw 一水体的密度，其大小与温度有关，温度越高，密度趣小，一般 为pm=1000Kg/m3: √EP一为声波在水中的传播速度，随温度和压力的升高而加大， 般为1435m/s 压力管道半径，m: K 一管壁抗力系数，对以下不同情况的管道，各取不同的数值。 (一)明钢管
对于明钢管 E,6 K=K,=1 2 (8-2) 式中E。—钢管材料弹模： 6—管壁厚度，若设有加幼环，近似取6=G+Fl,6。为管壁实际厚 度，F为加劲环的截面积，1为加劲环的间距： 其它附号意义同前。 (二)钢筋混凝土管 K=K。=E6.1+9.54)r2 (8-3) 式中E。—混凝土的弹性模量： 6。—混凝土管管壁厚度，mm: 4,—管壁环向含筋率，410.015~0.05； 一钢筋混凝土管径，m。 (三)埋藏式钢管 埋藏式钢管又称钢板衬砌隧洞，断面构造如图8-3所示，其抗力系数K 为 K=K+K++ (8-4) 图8一3埋藏式钢管 式中K,一钢衬的抗力系数，按式(8-2)计算，r=片，E,代以E人 -2) 6
方—回填混凝土的内半径： K一回填混凝土的抗力系数，若混凝土己开裂，忽略径向压缩，近 似令K,=0,若未开裂，K按式(8-5)计算： E。 K.“a-万h2 (9-5) E。、4一混凝土的弹性模量和泊松比： 5一—隧洞开挖直径，m: K,一环向钢筋抗力系数，按(8-6)式计算： K,20-4 (8-6) f每厘米长管道中钢筋的截面积，m r—钢筋圈半径，m: K,一围岩单位抗力系数，按(9-6)式计算，： K,=100K。 (8-7) K。一一岩石单位抗力系数，坚硬完整新鲜岩石为 9800-19600N/cm3,中等坚硬完整新鲜岩为4900-9800 N/cm3松软新鲜岩石为19604900N/cm；节理裂隙发育的 风化岩为490-4900N/cm3。 其他符号意义同前。 (四)固岩石中的不衬砌隧洞 抗力系数K值按式(8-7)计算。 值得指出，由于一些原始数据（如围岩的弹性抗力系数K。等）难以准 7
确确定，除匀质薄壁钢管外，对管道特性（直径、壁厚）不一致的组合管道， 水击波速只能上述公式近似计算，这对大多数电站工程来说是能满足要求的。 对于高水头电站，水击波波速对最大水击压强升高影响较大，应尽可能选择 符合实际情况而又略偏小的水击波波速值以策安全；对于中、低水头电站， 水击波速计算可较粗略。缺乏资料的情况下，明钢管的水击波速可近似地取 为1000m/s,埋藏式钢管的水击波速可近似地取为1200m/s,钢筋混凝土管可 近似取为900~1200m/s。 三、直接水击与间接水击 若压力管道阀门（或导水叶）开度的调节T≤2L,则在水库反射波到达 水管末端的阀门之前，阀门开度变化己经结束。这样，阀门处的最大水击压 强就不会受水库反射波的影响，其大小只是阀门瞬时启闭(T、0)直接引起 的水击波。这种水击称为直接水击，其数值很大，在水电站工程中应绝对避 免。 若T>2L 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。阀门处的这种水击称为间接水击，其值小于直接 水击，是水电站经常发生的水击现象。 四、研究水击的目的 研究水击的目的有以下几方面： (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 (一)水击的基本方程 水流在压管道中流动应满足运动方程及连续方程。当压力管道的材料
厚度及直径均沿管长度不变，且忽略水流摩阻损失时，可得管道的水击基本 方程为： △H=H-H。=(t-+Ft+ (8-8) a" (8-9) 式中H。一初始水头，m: '。一压力管道中水流的初始流速，ms: 1-一以速度a沿X轴正方向，向上游传播的水击波波函数， d 称逆行波： Ft+)一以速度a沿X轴反方向，向下游传播的水击波波函数， 陈顺行皮。 式(8-8)及式(8-10)表明，压力管道中任一时刻任一断面的水击压强和 流速变化情况取决于波函数中和F,表明了水击运动的基本规律。波函数中和 F的量纲与水头H量纲相同，故可视为压力波，但确定这两个函数必须利用 已知的初始条件与边界条件。 为求得每一个顺行波与逆行波的水击压强解，将水击基本方程的两式分 别加减处理后得： 2-月=H-H。-gV-) (8-10) 2Fu+)=H-H。+0(W-Vo) (8-11) 9 (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t时刻 传到A点时该处的压强水头为H,流 L=a△t& 9 丽84正力安建中的水尚计夏生场
速为y，该水击波在t2时刻传到B点时该处压强水头H,流速。将此情 况代入式(8-10)，整理后得： -g--9 (8-12) 同理，对于顺行波可得： HB-H=-V) (8-13) (三)水击的连锁方程 式(8-12)和式(8-13)给出了水击波在一段时间内通过两个断面时压强和流 速的变化情况，称为水击的特征方程。为便于计算，常用水头与流速的相对 值表示为无量纲的形式： 逆行波5，-5=2p(v-v) (8-14) 顺行波 58-54=2p(v,-v14) (8-15) 式中5一水击压强的相对升高值，5=△_H-H H。H。 p—管道特性系数，P=2gi。 a' v一压力管道中的相对流速，v= 。 利用式(8-14)和式(8-15)可求出压力管道在(、12、1、…1n等任意 时刻的水击压强相对升高值，进而可求得水击发生过程的全部解。但必须逐 次连锁求解，故又称为水击连锁方程。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。，电站静水头为H。。 2、边界条件