下面是小编为大家整理的水击教案,精简,供大家参考。
第七章
有压引水系统非恒定流的物理现象及基本方程 § §7 —1 概述 一、水轮机调节特点：
（N=9.81QH η）
水电站实际运行中，有可能遇到负荷突然．．变化，如因事故丢弃负荷或从空载迅速增加到满负荷。此时调速器自动关闭或开启导叶，以适应负荷的变化。与此同时产生两种物理现象：(正常情况的负荷变化一般危害不大，不起控制作用) (1) 机组转速的较大变化
当丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中的剩余能量，将转换为机组转动部分的动能，使转速上升，反之将使机组转速降低。
(2) 有压引水系统中水击现象
当水轮机导叶启闭时，管道中流量、流速发生急剧变化。而水流惯性将引起管道内水压力随之变化。这种现象称为水击。
（ water hammer ）
如果没有水流惯性（流速 ）随时间的变化
，就没有水击。
关闭导叶时，蜗壳、上游压力管道中压力上升，尾水管压力下降；开启导叶时，则相反。
二、水击及调节保证计算的目的 1）研究水锤的目的 :
○1 :计算水电站过水系统的最大内水压强，作为设计和校核压力管道， 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 布置压力管道的线路（防止压力水管内发生真空）和检验尾水管内真空度的依据。
2）水电站的不稳定工况及调保计算的目的
由于负荷的变化，水轮机工作参数不断变化的过程称水电站 不稳定工况。
在机组调节过程中，机组转速的变化及压力管道和机组内水压力的变化是否满足设计要求的计算，称 调保计算。
调保计算的任务：
○1 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。
○2 根据水电站水力系统（过流系统）和机组特性，合理的选择导叶开度的调节时间和调节规律，使水击压力和机组转速变化均保证在允许的范围之内。
从水工角度来说，希望调节时间长，则水击压力小。
从机械和电力系统角度来说，希望调节时间短，则转速变化小，机械强度和供电质量易于满足。
○3 研究减小水锤压强的措施。
（水锤现象也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。）
§ §7 —2 有压引水系 统水力过渡过程分析
一、水击波的概念 负荷变化 调速器动作、导叶动作
导叶处流量发生变化，该处流速发生变化
水体惯性 内水压力变化 水体和管壁弹性
压力变化以弹性波的形式在压力管道内传播。这种现象我们称为水击现象，压力的变化称为水击压力。
1、伐门突然关闭时水击的发展过程 沿全管道，
0 0 0 0....... ...... ...... d d H H V V
0 t
伐门突然关闭：伐门处
0 V
由于惯性，水流继续流入，
H d . .
aLt
沿全管段 d d d H H H V 0 0 0...... ...... ...... 0
在水库处，由于压力差，水流由压力管流向水库 d H V V . . .... 0
aLt2
沿全管长 0 0 0 0...... .... ..... d d H H V V
由于惯性，虽然压力管与水库压力平衡水流仍继续流
向水库。
在伐门处
d H V . . ...... 0
aLt3
沿全管长 d d d H H H V 0 0 0,.... ,.... ,..... 0
在水库处，由于压力差，水流由水库流向管内。
d H V V . ,0 aLt4
沿全管段 0 0 0 0....... ...... ..... d d H H V V
完成一个循环。
水击现象中，压力管中流速、压力变化完成一个循环的时间称为一个周期：aLT4 。
水击在压力管中传播一个来回的时间称为一“相”：aLt r2 。
a 为水击传播速度。
结论：
1）水击产生的外部原因是流速的变化，内因是水流的惯性。
2）由于水体和管壁的弹性，水击在水管中以弹性波的形式传播。因此必然遵弹 性波的反射原理和迭加原理。
在上面的分析中：
0 t 时，伐门突然关闭，在伐门端产生一个水击 H ，这个水击以弹性波形 式向上游传播， 当aLt 时，水击波到水库点，在此发生反射，形成反射波- H 。这种改变水击符号的反射称“负反射”。反射波- H 从水库点向下游传播（异号反射）。
当aLt2 时，到达关闭的伐门端，在伐门端，又一次反射，仍以- H 向上游传播。在伐门端产生的反射没有改变水击波的符号，称为正反射。（同号反射）
3）上面水击现象的分析是假定伐门突然关闭，且不计水流的水力损失，所以水 击压力波等值传播。
○1 如果考虑伐门关闭的时间，则反射波将与伐门不断关闭所产生的水击波进行 迭加。
○2 如果计及管道的摩阻损失，则速度的变化 V 不断减小，水击压力将迅速减 衰以及消失。
4）如果伐门突然打开，则其水击现象将与以上分析相反。
§ §9 —1 直接水击和间接水击
1、在水库点：
0 H
0 f F
f F
即是说，
正向波 F 与经过水库反射回来的反向波大小相同，符号相反。
“即若 F 是升压波，则 f 是降低波“。
水库点反射系数：
1 Ff
—— 水击波在水库处发生等值负反射。
2、伐门端
对 7-13，7-14 作如下处理，
令：000HH HHH ;
0max2gHaV ; ) 1 ( 121 v ； 0v
则 7-13 为，0H f F
时）
5 . 0 (
7-14 为，0 00max0max) )211 ( ( ) ( H HgHaVv vgaVf F
iiiiiiiH HH HfF 110 00 0
（对应阀门开度i 的反射系数）
上式说明：伐门处的反射特性与伐门开度有关。
○1 当0 ....... 1 i i 则
从上游来的顺流波 f 在伐门处发生负反射。
○2 当0 ........( 0 i i 即 伐门全关死）此时伐门相当于一个封闭端。
1 i
从上游来的顺流波 f 在此发生等值正反射。
○3 )当0 ....... 1 i i
从上游来的顺流波 f 在此发生正反射。
○4 当0 ....... 1 i i
从上游来的顺流波 f 在伐门处不发生反射。
伐门端水击的反射特性，应用于冲击式水轮机的喷嘴有足够的精度， 但对反击式水轮机则比较粗糙，问题出在推导过程中，
用到了 1 v 反击式水轮机iv 不仅决定于i i , 且与转速有关。
三、直接水击和间接水击 1、直接水击 若伐门启闭时间aLT S2 时，从水库反射回来的反向波 f 尚未到达伐门处，伐门启闭即已完成，这时的水击称直接水击。
在伐门处，由公式：7-13
F H H 0
7-14
FagV V 0
) (0V VgaH
例：设伐门在aL 2 时间内，由全开 全关、流速 0 5 sm; sma 1000
则：在伐门处产生水击压力为mH 500 ；显然这样的水击值是工程所不允许的，是水轮机运行时应避免的。
2、间接水击 aLT S2
时的水击称间接水击，下面的讨论均是间接水击。
四、伐门起始开度0 对水击的影响 调速器调节规律确定以后，由于起始开度的大小不同，调速器调节导叶关闭时间不同，如果起始开度很小，导叶关闭时间很小，则 可能在反击波尚未到达伐门端时，伐门关闭已 结束，这时伐门端的水击是直接水击。从一相水击和极限水击判别条件可以知道，在伐门端，阀门的起初开度对水击类型和大小有重要的影响。
总结：
① 在运行中，我们应避免出现直接水击。
② 在计算间接水击时，伐门处压力最大，先判断是一相水击还是末相水击，然后利用相应公式进行水击计算。
③ 前面所推的递推公式、一相水击和末相水击计算公式都是根据伐门边界条件i i iv 1 得出，对于冲击式水轮机有足够的精度，但对反击式水轮机需对计算结果乘一机型系数 Cmax。
混
C=1.2，轴
C=1.4
§9 —3 复杂管道的水锤 简化．．计算 复杂管有两种：一种是管径和管壁厚度自上而下随着水头的增加而逐段改变的水管，这种水管称为串联管；另一种是分岔管， 这在集中供水中经常遇到。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。
1、串联管
串联管简化为等价管计算，简化原则是
：
① 长度不变
nil L1 ② 相长不变
niimalaL1 ；niimalL a1 ③ 水体动能不变
2122121ini mv m Mv
g AL M / ；
g l A mi i i/ ；
∴ ni i mv l Lv1； ni i mv l L v1
于 是 等 价 管 的 特 性 常 数 和 水 击 常 数 ：02 / gH v am m m
s m mT gH Lv0/
2、分岔管：
将分岔管简化为串联管，进一步简化为等价管。
分岔管简化为串联管的方法通常有两种：
① 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。
② 截只法
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
3、反击式水轮机水锤计算
特点：（1）反击式水轮机有蜗壳和尾水管，并以导叶调节流量，其过流特性和孔口出流不完全相符。
（2）反击式水轮机的转速影响水轮机的流量，而水斗式水轮机的流量和转速无关。
（3）当流量变化时，反击式水轮机的蜗壳和尾水管中亦将发生水锤现象。蜗壳相当于压力管道的延续部分，其水锤现象和压力管道相同；尾水管在导叶之后，其水锤现象则与压力管道相反：导叶关闭时产生负水锤，导叶开启时产生正水锤。蜗壳与尾水管的水锤影响水轮机的出流，从而也影响压力管道中的水锤。
在简化成等价管时应计入它们的作用。假设把水轮机的导叶搬到尾水管之后，于是：
L v L v L v L vaLaLaLL aL L L Lb b c c T T mbbccTTmb c T/ ) () (
下标 T、c、b 分别表示压力管、蜗壳与尾水管。
§ §9-4 水击压力沿管长的分布
1、末相水击沿管长分布：
末相水击沿管长成直线分布。
2、一相水击沿管长分布
一 相水击沿管长成双曲线分布。
§ §9 —6
减小水击压力的措施 1、增大管理，减小流速0V 。
ST gHLV00
2、缩小管道长度 L。
3、设置调压室（实际上是缩短压力水管长度 L）， 4、改善导叶调节规律。
5、设置减压阀（调压伐，空放阀）－反击式
不增大sT ，减小压力管中流速
6、设置水阻器。
－冲击式
变化梯度。
7、增加机组转动惯量2GD ，从而增加机组时间常数 T n ，增加 T s
—中、小机组
第十章 调压室 § §10 —1
调压室的作用及其工作原理 一、调压室的作用
调压室利用扩大的断面和自由水面反射水锤波。所以对水击具有类似水库的反射作用。
○1 反射水锤波.基本上避免（或减小）压力管道中的水锤波进入有压引水道 ○2 .缩短压力管道的长度.从而减小压力管道及厂房过流部分的水锤 ○3 .改变机组在负荷变化时的运行条件和系统供电质量
二、调压室的水力现象（以突然丢弃负荷为例）
0 t 时：
f V Q0机
此时通过调压室的流量为 0，调压室水位0 h Z 。
若此时突然丢弃全负荷， 0 机Q ，由于水流惯性和水库调压室水头差0 0Z h 。水库水流向调压室，使调压室水位上升。
1t t 时：
调压室水位等于静水位，maxV V ，此时水头为 0， 但由于惯性，水流继续流入调压室，流速 V 下降。
2t t 时：
0 ,max V Z Z ，由于水头差，水开始倒流入水库，流速开始增加。
3t t 时：
调压室水位等于静水位，maxV V ，由于惯性，水流继续流入水库，V 减小。
4t t 时：
. 0 V ；2Z Z
引水系统—调压室中的水流，就是这样由势能—动能—势能—来回往复，形成调压室水位的波动，由于摩阻作用，波动逐渐衰减以至消失。
几点说明：
1、引水系统—调压室的水力现象
和
压力管道中水击现象。
相同点：
均为有压非恒定流现象，而且均为水体惯性引起。
不同点：
水体以质量波的形式在引水系
是由于水体和管壁的弹性波。压
统～调压室中传递。频率慢、
力变化以弹性波的形式传递。频 周期长（3-5 分钟）振幅小，
率快。周期短（1 秒左右）振幅大。
2、水击波的持续时间比调压室波动持续时间短得多，所以我们研究调压室水位波动时，假定水击现象已经完毕。
三、调压室的基本方程 假定：1）调压室水位波动时，水库水位不变。
2）不考虑水体及引水道的弹性------一般不会影响调压室水位的变化。
3）忽略调压室中惯性水头和摩阻损失。
1、连续方程（流量连续）------引水道流量应为进入调压室和压力管流量之和。
调 机 引Q Q Q
即：
FdtdZQ Vf 机
7-18 2、运动方程：
a m F
（取引水道水体为脱离体）
则：
) ) (21(2rh hdtdzgZ fdtdVgf L
即：rh hdtdzgZdtdVgL 2) (21 （二阶微量可忽略）
7-17
wh ：引水道水头损失；
rh ：调压室水头损失（分岔、收缩、扩散）
3、出力方程：
在调压室—引水系统波动中，水轮机水头、流量发生变化，但出力维持不变：
) )( ( ) (0 0 0 0 0 0 0x h h H q Q h h H Qm m
假设恒定流与非恒定流时效率相等，则 0 则：
) )( ( ) (0 0 0 0 0 0x h h H q Q h h H Qm m
§ §10 —2 调压室的设置条件及位置选择 二、调压室的设计要求 1、调压室对水击反射条件好。
①具有自由表面。②有足够的断面积。③与压力管道连接处有足够断面。
2、尽量靠近厂房，以缩短压力管长度，减小水击。
3、正常运行时，水力损失小（与压力管连接处断面变化小）。
4、负荷变化时，应保证调压室水位波动振幅小，频率低，衰减快（要求有足够断面，适当阻抗）。
调压室的位置选择：
1、根据地形、地质条件，与引水系统、厂房位置统筹考虑，尽量靠近厂房。
2、尽量置于地下，调压井一般较经济、安全
1、地质条件好，注意渗水影响围岩、边坡稳定。
§ §10-3 调压室布置方式与类型 一、调压室布置方式 1、上游调压室
电站采用尾部开发，有压引水隧洞较长， 在其末端布置调压室。
2、尾水调压室
水电站采用首部开发，...