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水电站水击

2020-04-09 21:01

水电站有压引水系统中由于水流速度迅速改变而产生的压力骤升骤降现象。也称水电站水锤。当水电站管道的阀门突然关闭时,由于水流的惯性作用,阀门上游的管道中压力骤升;而在阀门下的管道中(如在尾水管中)将产生压力骤降。当阀门骤开时则相反。水电站水击是有压管道非恒定流(或称有压不稳定流)的一种现象。它对水电站的影响较大,如压力管道的水流速度(v0)为3m/s,管道中水击波速(a)为1 000m/s。当阀门突然关闭,流速突然变为零,水击压力值(ΔH)则达306m,在设计和运行中如不考虑,将会造成严重的后果。世界各国对水击压力允许升高值都有所限制。中国原水利电力部《水力发电厂机电设计技术规范(73—85)》规定水击压力允许升高值:额定水头小于40m时,宜为70%~50%;额定水头在40~100m时,宜为50%~30%;额定水头大于100m时,宜小于30%。

计算水击的目的:①检查是否超过规范规定的允许值,如超过规定,要采取减小水击压力的措施,如设置调压室、装设调压阀等。②计算压力管道和蜗壳时,设计内水压力为静水压力和水击压力之和,需首先计算出水击压力。③在决定压力管道布置时,管路纵向转弯处要以负水击压力检查是否产生真空,并要求保持管顶至少有2m水柱高的水压力。

水击的理论基础及其简单公式

如图1(a)所示,突然关小水管末端的阀门开度,迫使靠近阀门上游侧的一段水体的流速突然降低Δv,因水流的惯性作用,产生水击压力增高ΔH。在压力增高段内,管壁膨胀,水的密度(ρ)增大。水管由原来的断面面积A增大到A+ΔA;水的容重由原来的γ增大到γ+Δγ。因此,膨胀段内的容积略有增加,以容纳从上游管段流来的水。这样,膨胀段的边界将水管分为2段:压力增高段和压力未增高段。在压力未增高段内,流速、水管的断面面积、水的容重仍为v0、A、γ,即与阀门未关闭前一样。

由于水管的膨胀很小,水的密度增加不大。为在水管的膨胀范围内能容纳下从水管上游流来的水,膨胀段的边界流速(即水击波速度),将以某一值(a)沿水管向上游传播。因此,研究水击的理论基础:当发生水击压力升高时,管道的管壁产生弹性膨胀,水体受到压缩,水的密度有所增加;当发生水击压力降低时,管壁发生弹性收缩,水体受到的压力减小,水的密度有所降低。

设在管道内取出一段水体,见图1(b),在时段Δt内,流速由v0变为v0-Δv(Δv为流速变化值),水击波从水体的一侧传至另一侧。设水击波速为a,则水体长度ΔL=aΔt。压强从原有的γH增大到γ(H+ΔH),同时水体密度和管道断面都有相应的变化。根据冲量、动量原理,经简化,得出水击压力水头计算公式

式中,a为水击波速,m/s;g为重力加速度,m/s2;v0为起始流速,m/s;v为终了流速,又称末速度,m/s。式(1)是俄国学者儒科夫斯基1898年得出的。

波速a与水体压缩性及管壁弹性有关,与管径及壁厚也有关。

式中,ρ为水的密度;K为水体积弹性模量,为0.01E;E为钢的弹性模量;D为管道直径;B为与管壁材料有关的系数,对于钢管,B=1;e为钢管壁厚,或其他材料管壁的钢壁化引厚度。

当水温在10℃左右、压强为0.1~2.5mPa(1~25个大气压)时,

,不受管壁影响,是水中声波的传播速度。

图1 水击原理图

直接水击与间接水击

如图2所示,阀门的关闭总有个过程,导水叶的关闭时间一般为3~8 s。可把整个关闭过程看作是一系列微小关闭的总体合成。每个微小的关闭产生一个相应的水击波。这些水击波可归纳成2类:一类是由阀门向上游传播的逆行波,包括初始水击波和从阀门向上游反射的水击波;另一类是从进口向下游传播的顺行波。任一断面不同时刻的水击压力,就是这两类水击波叠加的结果。

图2 水击分析图

阀门关闭时间(Ts)的长短,会形成逆行波和顺行波不同的组合,从而在管道中造成不同的水击压力。从阀门开始关闭起,在Ts<2L/a的时间内,由进口反射回来的减压波(顺行波)还未到达下游阀门A。因此,凡是阀门关闭时间Ts<2L/a时,在A端发生的水击称为直接水击。如阀门关闭时间Ts>2L/a,在初始水击波形成尚未完毕前,由进口反射回来的减压波已到达A端,部分地抵消了水击的增长,使A端水击压力不至于达到直接水击值,这种水击称为间接水击。阀门关闭时间越长,越不易发生直接水击,工程设计总是尽量争取增加阀门的关闭时间,避免发生直接水击。但为保证机组稳定运行,要求水轮机导水叶能随电网负荷的改变,迅速地加以调整,因而过多地延长导水叶关闭时间是不允许的。

由于时间为2L/a在水击分析中具有重要的意义,因此给2L/a一个名称,称它为“相”或“相长”。用tr=2L/a表示。

水击计算方法

从水击基本方程的运动方程和连续方程出发,对方程和出口边界条件有不同的简化和假定。在下述公式中,管道出口边界条件简化为孔口出流,这对冲击式水轮机是精确的,对反击式水轮机是近似的。假定阀门开度与关闭(或开启)时间成直线关系,也有一定的误差。

(1)水击压力在第一相过程的计算公式,见图2的管径和管壁为常数的简单管,阀门逐渐连续关闭,水击压力逐渐连续升高。水击压力沿管道的分布呈三角形。当阀门关闭时间t<tr时,由管道进口传回来的反射波(顺行波)尚未到达断面A,因而在断面A产生了直接水击,用式(1)计算。

根据上述的假定,管道中起始流速为τ0v0(τ0为阀门起始开度)。而在第一相中任何时间管道中的流速

(τ为任何时间的阀门开度,ζ=ΔH/H0为水击相对值)。

定义压力管道特性系数为μ,则

分析上式可得以下结论:①设在第一相过程中阀门已经完全关闭(Ts<tr),即τ=0,则上式变为

将μ值代入,如τ0=1,则ΔH=ζH0=(a/g)v0,即与直接水击公式相同。②设在第一相末阀门尚未完全关闭(Ts>tr),由进口反射回来的减压波将接近A端,因而第一相末断面A的水击压力也是直接水击,可按下式计算:

式中,τ1为第一相末阀门的开启程度,根据上边的假定,

;ζ1为第一相末阀门处水击压力的相对升高值。

(2)水击计算的一般公式。如阀门关闭得很慢或管道较短,水击波往返的次数很多,第n相末水击压力的一般公式为

由式(5)可看出,第n相末的水击压力升高,不仅与该相末阀门的开启程度有关,而且与前几相末的压力升高值的总和有关。

求解式(3)、(4)、(5),还可用图解法和计算机计算。如再考虑反击式水轮机转速变化影响和不同阀门关闭规律,只能用电子计算机和列表试算法。

上述公式是按简单管得出的,如对复杂管(串联管、分岔管、计入蜗壳和尾水管影响等)简化计算,在公式中采用的波速和流速要用加权平均值。

计算下游长尾水压力管道的水击,其计算理论与方法和上游的管道相同,只是计算工况相反,即在增荷时计算正水击,在丢荷时计算负水击,并在上述公式中的水击相对值前冠以负号。

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