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第九章 水电站水力过渡过程 教学要求：了解水电站水力过渡过程的水力现象和有关基本方程的建立，掌握水锤和机组转速变化计算的基本方法，熟悉调节保证计算的控制指标和基本措施；掌握调压室水位波动分析的基本方法。 水电站的引水系统、水轮机及其调速设备、发电机、电力负荷等组成一个大的动力系统。这个系统有两个稳定状态：静止和恒速运行。当动力系统从一个状态转移到另一状态，或在恒速运行时受到扰动，系统都会出现非恒定的暂态（过渡）过程，由此产生一系列工程问题：压力水管（道）的水锤现象、调压室水位波动现象、机组转速变化和调速系统的稳定等问题。本章主要介绍水电站水力过渡过程的现象和基本方程。 第一节 概述 一、水锤 （一）水锤现象及其传播 引水系统是水电站大系统中的子系统，水锤是发生在引水系统中的非恒定流现象。当水轮发电机组正常运行时，如果负荷突然变化，或开机、停机，引水系统的压力管道的水流会产生非恒定流现象，—般称为水锤。水锤的实质是水体受到扰动，在管壁的限制下，产生压能与动能相互转换的过程，由于管壁和水体具有弹性，因此这一转换过程不是瞬间完成的，而是以波的形式在水管中来回传播。 为了便于说明水锤现象，我们首先研究水管材料、管壁厚度、管径沿管长不变，并且无分叉的水管（一般称为简单管），阀门突然关闭时的水锤现象，见图9-1：管 图9－1 水锤压力传播过程 中水流的初始状态是水压力为，流速为。当阀门突然关闭时，首先在阀门附近长度为的管段发生水锤现象——水体被挤压，水压力上升为，流速变为0，这时管中水体的动能转变为压能。由于管壁膨胀，水体被压缩，在管段中会产生剩余空间，待后面的水体填满剩余空间后，邻近管段水体又会发生水体挤压，引起水压力上升，流速变为0，也产生剩余空间。这样在水管中，从阀门开始逐段产生水锤现象，水锤波以一定的速度从阀门传向进口（水库）。当水锤到达引水管进口时，这时进口外的水压力为，管内水压力为，在水管进口处造成压力差。在的作用下，水体流向水库，使得水管中的水体压能转变为动能，管中水体的压力从降为，流速变为，这相当于产生一个反射波，反射波以的速度从水管进口向阀门处传播。当反射波到达阀门处时，水流离开阀门，在阀门处造成真空，产生负压，使水体压力从变为，流速从变为0，水管中水体的动能转变为压能，即在阀门处产生负压波，负压波以的速度从阀门传向进口。当负压波到达水管进口时，进口外的水压力仍为，管内水压力为，在水管进口处形成压力差。在的作用下，水体流向水管，使水管的压力从升为，流速变为，水体压能转变为动能，又产生反射波，反射波以的速度从进口向阀门处传播。当反射波到达阀门处时，水管全长水流恢复到初始状态，即水管的压力为，流速为。由于阀门仍然关闭，在阀门处又产生水锤波，水锤波将重复以上的传播过程。 水锤波在水管中的传播经历了四个状态、二个来回，才完成一个周期。我们把水锤在管中传播一个来回的时间称为一相（phase），二相为一个周期（period）。设管长为，则一相的时间为＝，一周的时间为＝。 （二）水锤波传的播速度 水锤波的传播速度是水锤分析计算中的一个重要参数，它与水管的材料、管壁厚度、管径以及水体的弹性、容重有关。根据水流的连续性定理和动量定理，推导出水锤波的传播速度的计算公式为： （9-1） 式中 为水体弹性模量，一般取2.06KPa； 为水容重； 为管道的抗力系数。对于薄壁钢管，其中为钢管弹性模量（钢管＝206Kpa；铸铁管＝98Kpa），为管壁厚度；为管道半径。 水锤波的传播速度的具体计算，应按露天薄壁钢管、坚固岩石中的不衬砌隧洞、埋藏式钢管或钢筋混凝土衬砌管等类型分别计算，计算公式可参照有关规范或论著。 二、调压室水位波动 混合式水电站的压力引水道一般比较长，为了减小此类水电站压力引水道的水锤压力，通常在压力引水道靠近厂房的适当位置设置调压室。调压室是一种具有自由水面和一定体积的井式结构物，底部与压力引水道连接，以破坏压力引水道的封闭性，如同水库一样能反射水锤波，从而减小水锤压强。调压室将压力引水道分为两部分，调压室上游部分称为引水道，下游部分称为压力管道见图9-2。 图9－2 调压室的水位波动现象 当水电站发生过渡过程时，引水系统中的压力管道发生水锤现象，而引水道—调压室系统则会发生水位波动现象。我们分几种情况来讨论引水道—调压室系统的水位波动情况： 当水电站以满负荷运行时，假设水库水位为，水轮机引用流量为，引水道水头损失为，引水道流速为，则调压室水位为。如果电站突然丢弃全部负荷，水轮机引用流量变为0，此时压力管道发生水锤现象，并在短时间内停止，压力管道的流量变为0。由于惯性作用，引水道的流