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