水电站的水锤及调节保证计算教程.doc

水电站的水锤及调节保证计算 ??? 本章重点内容：水电站有压引水系统非恒定流现象和调节保证计算的任务、单管水锤简化计算、复杂管路的水锤解析计算及适用条件、机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? ???? 第一节?????? 概? 述 一、水电站的不稳定工况 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 丢弃负荷：剩余能量→机组转动部分动能→机组转速升高 增加负荷：与丢弃负荷相反。 ?(2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象 管道末端关闭→管道末端流量急剧变化→管道中流速和压力随之变化→“水锤”。 导时关闭时，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。 导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中则引起压力上升。 ?(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。 二、调节保证计算的任务 (一) 水锤的危害 (1) 压强升高过大→水管强度不够而破裂； (2) 尾水管中负压过大→尾水管汽蚀，水轮机运行时产生振动； (3) 压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。 (二) 调节保证计算 水锤和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。 1．调节保证计算的任务： (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；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转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。 (3) 选择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) 研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。 2．调节保证计算的目的 正确合理地解决导叶启闭时间、水锤压力和机组转速上升值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，使水锤压力和转速上升值??在经济合理的允许范围内。???? ?????? 第二节?????? 水锤现象及其传播速度 一、?? 水锤现象 1．定义 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，由于水流具有较大的惯性，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，如同锤击作用于管壁，有时还伴随轰轰的响声和振动，这种现象称为水锤。 2．水锤特性 (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。 注：水锤波在管中传播一个来回的时间tr=2L／a，称之为“相”，两个相为一个周期2tr=T (3) 水锤波同其它弹性波一样，在波的传播过程中，在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 水锤波速与管壁材料、厚度、管径、管道的支承方式以及水的弹性模量等有关，其计算公式为： ???? 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数(钢村E=2.06×105MPa，铸铁E=0.98×105MPa，混凝土E=2.06×104MPa)； 为声波在水中的传播速度，随温度和压力的升高而加大，一般取1435m/s。 一般情况下，露天钢管的水锤波速可近似地取为1000m/s，埋藏式钢管可近似地取为1200m/s。钢筋混凝土管可取900m/s~1200m/s。?????????????????????????????????????? 第三节?????? 水锤基本方程及边界条件 基本方程+相应的边界条件——用解析方法和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、厚度及直径沿管度不变，且不计及水力摩阻损失时，其简化方程为(取阀门端为原点，x向上游为正) ? ???????? ???????????? 上述方程为一组双曲线型偏微分方程， 其通解为： ?????? ???????????? ???? ?? 注：F和f为两个波函数，其量纲与水头H量纲相同，故可视为压力波。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