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第九章第九章水电站的水锤与水电站的水锤与调节保证计算调节保证计算本章重点内容:
本章重点内容:
水电站有压引水系统非恒定流现象及调节保证计算的任务;水电站有压引水系统非恒定流现象及调节保证计算的任务;单管水击简化计算、复杂管路的水击解析计算及适用条件;单管水击简化计算、复杂管路的水击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。
机组转速变化的计算方法和改善调节保证的措施。
概概述述一、水电站的不稳定工况一、水电站的不稳定工况由于负荷的变化而引起导水叶开度由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化,称为水电站的不稳定工况头、机组转速的变化,称为水电站的不稳定工况。
(一一)引起水轮机流量变化的两种情况引起水轮机流量变化的两种情况水电站正常运行情况下的负荷变化。
水电站正常运行情况下的负荷变化。
担任峰荷或调频任务的电站,水轮机的流量处于不断变化担任峰荷或调频任务的电站,水轮机的流量处于不断变化中;正常的开机或停机。
中;正常的开机或停机。
水电站事故引起的负荷变化。
水电站事故引起的负荷变化。
水电站可能会各种各样的事水电站可能会各种各样的事故,可能要求水电站丢弃全部或部分负荷。
这是水电站水故,可能要求水电站丢弃全部或部分负荷。
这是水电站水锤计算的控制条件。
锤计算的控制条件。
一、水电站的不稳定工况一、水电站的不稳定工况(二二)水电站的不稳定工况表现形式水电站的不稳定工况表现形式1.1.引起机组转速的较大变化引起机组转速的较大变化丢弃负荷:
剩余能量丢弃负荷:
剩余能量机组转动部分动能机组转动部分动能机组转速升高机组转速升高增加负荷:
与丢弃负荷相反。
增加负荷:
与丢弃负荷相反。
2.2.在有压引水管道中发生在有压引水管道中发生“水锤水锤”现象现象管道末端关闭管道末端关闭管道末端流量急剧变化管道末端流量急剧变化管道中流速和压力管道中流速和压力随之变化随之变化“水锤水锤”。
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。
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,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。
而在尾水管中则引起压力上升。
3.3.在无压引水系统在无压引水系统(渠道、压力前池渠道、压力前池)中产生水位波动现象中产生水位波动现象。
二、调节保证计算的任务二、调节保证计算的任务(一一)水锤的危害水锤的危害
(1)
(1)压强升高过大压强升高过大水管强度不够而破裂;水管强度不够而破裂;
(2)
(2)尾水管中负压过大尾水管中负压过大尾水管汽蚀,水轮机运行时尾水管汽蚀,水轮机运行时产生振动;产生振动;(3)(3)压强波动压强波动机组运行稳定性和供电质量下降。
机组运行稳定性和供电质量下降。
(二二)调节保证计算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。
水锤和机组转速变化的计算,一般称为调节保证计算。
二、调节保证计算的任务二、调节保证计算的任务调节保证计算的任务调节保证计算的任务:
(1)
(1)计算有压引水系统的最大和最小内水压力。
计算有压引水系统的最大和最小内水压力。
最大内水压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;压和校核尾水管内真空度的依据;
(2)
(2)计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率,并检验其是否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。
在允许的范围内。
(3)(3)选择调速器合理的调节时间和调节规律,保证压力和转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。
速变化不超过规定的允许值。
(4)(4)研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。
研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。
第一节第一节水锤现象及特性水锤现象及特性一、水锤现象一、水锤现象0L/c:
升压波,由阀门向水升压波,由阀门向水库传播,水库为异号等值反库传播,水库为异号等值反射。
射。
L/c2L/c:
降压波,由水库降压波,由水库向阀门传播,阀门为同号等向阀门传播,阀门为同号等值反射。
值反射。
2L/c3L/c:
降压波,阀门降压波,阀门水库水库3L/c4L/c:
升压波,水库升压波,水库阀门阀门二、水锤特性二、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。
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。
的形式沿管道传播。
摩擦阻力的存在造成能量损耗,水锤波摩擦阻力的存在造成能量损耗,水锤波将逐渐衰减。
将逐渐衰减。
注:
水击波在管中传播一个来回的时间注:
水击波在管中传播一个来回的时间tr=2La,称之为,称之为“相相”,两个相为一个周期,两个相为一个周期2tr=T(3)水击波同其它弹性波一样,在波的传播过程中,在外部条水击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件发生变化处(即边界处即边界处)均要发生波的反射。
其反射特性均要发生波的反射。
其反射特性(指指反射波的数值及方向反射波的数值及方向)决定于边界处的物理特性。
决定于边界处的物理特性。
二、水锤的特性二、水锤的特性水锤实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。
水锤实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。
当突然启当突然启闭阀门时,由于启闭时间短、流量变化快,因而水击压力往闭阀门时,由于启闭时间短、流量变化快,因而水击压力往往较大,而且整个变化过程是较快的。
往较大,而且整个变化过程是较快的。
由于管壁具有弹性和水体的压缩性,水击压力将以弹性波的由于管壁具有弹性和水体的压缩性,水击压力将以弹性波的形式沿管道传播。
形式沿管道传播。
水击波传播过程中,在外部条件发生变化处水击波传播过程中,在外部条件发生变化处(即边界处即边界处)均要均要发生波的反射。
发生波的反射。
其反射特性其反射特性(指反射波的数值及方向指反射波的数值及方向)决定于决定于边界处的物理特性。
边界处的物理特性。
第二节第二节水锤基本方程和水锤波的传播速度水锤基本方程和水锤波的传播速度一、基本方程一、基本方程水力学水力学中已经介绍。
忽略小项,得到:
中已经介绍。
忽略小项,得到:
式中式中V管道中的流速,向下游为正;管道中的流速,向下游为正;H压力水头;压力水头;x距离,水库为原点,向下游为正。
距离,水库为原点,向下游为正。
c水锤波速。
水锤波速。
一、基本方程一、基本方程上述基本方程的通解:
上述基本方程的通解:
HH=HH-HH00=FF(tt+xx/cc)+)+ff(tt-xx/cc)VV=VV-VV00=-=-gg/ccFF(tt+xx/cc)-)-ff(tt-xx/cc)注注:
F和和f为两个波函数,其量纲与水头为两个波函数,其量纲与水头H量纲相同,故可视量纲相同,故可视为压力波。
为压力波。
为逆水流方向移动的压力波,称为逆流波;为逆水流方向移动的压力波,称为逆流波;为顺水流方向移动的压力波,称为顺流波。
为顺水流方向移动的压力波,称为顺流波。
任何断面任何时刻的水击压力值等于两个方向相反的压力任何断面任何时刻的水击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波之和;而流速值为两个压力波之差再乘以g/a。
二、水锤波的传播速度二、水锤波的传播速度Ew为水的弹性模量,取为水的弹性模量,取2000MPa。
计算公式的。
计算公式的分子为声波在水中的传分子为声波在水中的传播速度,其值约为播速度,其值约为1435m/s。
K为抗力系数,对于不同为抗力系数,对于不同的情况取不同的数值。
的情况取不同的数值。
水锤波速与管壁材料、水锤波速与管壁材料、厚度、管径、管道的支厚度、管径、管道的支承方式以及水的弹性模承方式以及水的弹性模量等有关量等有关二、水锤波的传播速度二、水锤波的传播速度1、明钢管、明钢管K=Ess/r2,Es和和s分别为钢管的弹性模量和璧厚,分别为钢管的弹性模量和璧厚,r为半径。
为半径。
c1000m/s2、岩石中的不衬砌隧洞、岩石中的不衬砌隧洞K=100K0/r,K0为岩石的单为抗力系数。
为岩石的单为抗力系数。
3、埋藏式钢管、埋藏式钢管K=Ks+Kc+Kf+Kr,分别为钢管、钢管外混凝土、环,分别为钢管、钢管外混凝土、环向钢筋、围岩的抗力系数。
向钢筋、围岩的抗力系数。
c1200m/s第三节第三节水锤计算的解析法水锤计算的解析法本节主要内容本节主要内容直接水锤和间接水锤直接水锤和间接水锤水锤边界条件水锤边界条件(水电站水电站)水锤的连锁方程水锤的连锁方程水锤波在水管特性变化处的反射水锤波在水管特性变化处的反射开度依直线变化的水锤计算开度依直线变化的水锤计算起始开度和关闭规律对水锤的影响起始开度和关闭规律对水锤的影响水锤压强沿水管长度的分布水锤压强沿水管长度的分布开度变化结束后的水锤现象开度变化结束后的水锤现象一、直接水锤和间接水锤一、直接水锤和间接水锤1、直接水锤、直接水锤如果水轮机调节时间如果水轮机调节时间Ts2L/c,则水库反射波回到阀门之前,则水库反射波回到阀门之前开度变化已经结束,阀门处只受开度变化直接引起的水锤开度变化已经结束,阀门处只受开度变化直接引起的水锤波的影响波的影响称为称为直接水锤直接水锤计算直接水锤压力的公式:
计算直接水锤压力的公式:
一、直接水锤和间接水锤一、直接水锤和间接水锤
(1)当阀门关闭时,管内流速减小,当阀门关闭时,管内流速减小,V-V00,H为负,产为负,产生负水击。
生负水击。
(2)直接水击压力值的大小只与流速变化直接水击压力值的大小只与流速变化(V-V0)的绝对值和水的绝对值和水管的水击波速管的水击波速c有关,而与开度变化的速度、变化规律和水有关,而与开度变化的速度、变化规律和水管长度无关。
管长度无关。
算例:
设算例:
设V0=5m/s,c=1000m/s,则丢弃全负荷时,则丢弃全负荷时H=510m。
可见直接水锤要绝对避免。
可见直接水锤要绝对避免。
一、直接水锤和间接水锤一、直接水锤和间接水锤2、间接水锤、间接水锤如果水轮机调节时间如果水轮机调节时间Ts2L/c,则开度变化结束之前,则开度变化结束之前水库反射波已经回到阀门处,阀门处的水锤压力由水库反射波已经回到阀门处,阀门处的水锤压力由向上游传播的向上游传播的F波和向下游传播的波和向下游传播的f波相叠加而成波相叠加而成称为称为间接水锤。
间接水锤。
间接水锤的计算比直接水锤复杂得多。
间接水锤的计算比直接水锤复杂得多。
间接水锤是水电站经常发生的水锤现象,也是我们间接水锤是水电站经常发生的水锤现象,也是我们的主要研究对象。
的主要研究对象。
二、水锤的边界条件二、水锤的边界条件求解水锤的基本方程,需要利用边界条件和初始条件。
求解水锤的基本方程,需要利用边界条件和初始条件。
(一一)起始条件起始条件把恒定流的终了时刻看作为非恒定流的开始时刻。
把恒定流的终了时刻看作为非恒定流的开始时刻。
即当即当t=0时,管道中任何断面的流速时,管道中任何断面的流速V=V0;如不计水头损失,如不计水头损失,水头水头H=H0。
(二二)边界条件边界条件1管道进口管道进口管道进口处一般指水库或压力前池:
管道进口处一般指水库或压力前池:
B=H/H0=02分岔管与调压室分岔管与调压室分岔处的水头应该相同:
分岔处的水头应该相同:
Hp1=Hp2=Hp3=Hp分岔处的流量应符合连续条件:
分岔处的流量应符合连续条件:
Q=0二、水锤的边界条件二、水锤的边界条件3.水轮机水轮机
(1)水斗式
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