水電站新ppt課件 水擊教案（武）

第7頁共23頁P(yáng)AGEPAGE7有壓引水系統(tǒng)非恒定流的物理現(xiàn)象及基本方程§7—1概述一、水輪機(jī)調(diào)節(jié)特點(diǎn)：（N=9.81QHη）水電站實(shí)際運(yùn)行中，有可能遇到負(fù)荷突然變化，如因事故丟棄負(fù)荷或從空載迅速增加到滿負(fù)荷。此時調(diào)速器自動關(guān)閉或開啟導(dǎo)葉，以適應(yīng)負(fù)荷的變化。與此同時產(chǎn)生兩種物理現(xiàn)象：(正常情況的負(fù)荷變化一般危害不大，不起控制作用)機(jī)組轉(zhuǎn)速的較大變化當(dāng)丟棄負(fù)荷時，水輪機(jī)在導(dǎo)葉關(guān)閉過程中的剩余能量，將轉(zhuǎn)換為機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的動能，使轉(zhuǎn)速上升，反之將使機(jī)組轉(zhuǎn)速降低。有壓引水系統(tǒng)中水擊現(xiàn)象當(dāng)水輪機(jī)導(dǎo)葉啟閉時，管道中流量、流速發(fā)生急劇變化。而水流慣性將引起管道內(nèi)水壓力隨之變化。這種現(xiàn)象稱為水擊。（waterhammer）如果沒有水流慣性（流速）隨時間的變化，就沒有水擊。關(guān)閉導(dǎo)葉時，蝸殼、上游壓力管道中壓力上升，尾水管壓力下降；開啟導(dǎo)葉時，則相反。二、水擊及調(diào)節(jié)保證計(jì)算的目的研究水錘的目的:eq\o\ac(○,1):計(jì)算水電站過水系統(tǒng)的最大內(nèi)水壓強(qiáng)，作為設(shè)計(jì)和校核壓力管道，蝸殼和水輪機(jī)強(qiáng)度的依據(jù)。eq\o\ac(○,2)：計(jì)算過水系統(tǒng)的最小內(nèi)水壓強(qiáng)，作為布置壓力管道的線路（防止壓力水管內(nèi)發(fā)生真空）和檢驗(yàn)尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)。2）水電站的不穩(wěn)定工況及調(diào)保計(jì)算的目的由于負(fù)荷的變化，水輪機(jī)工作參數(shù)不斷變化的過程稱水電站不穩(wěn)定工況。在機(jī)組調(diào)節(jié)過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化及壓力管道和機(jī)組內(nèi)水壓力的變化是否滿足設(shè)計(jì)要求的計(jì)算，稱調(diào)保計(jì)算。調(diào)保計(jì)算的任務(wù)：eq\o\ac(○,1)研究水錘現(xiàn)象與機(jī)組運(yùn)行（如機(jī)組轉(zhuǎn)速變化和運(yùn)行的穩(wěn)定性等）的關(guān)系。eq\o\ac(○,2)根據(jù)水電站水力系統(tǒng)（過流系統(tǒng)）和機(jī)組特性，合理的選擇導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)規(guī)律，使水擊壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速變化均保證在允許的范圍之內(nèi)。從水工角度來說，希望調(diào)節(jié)時間長，則水擊壓力小。從機(jī)械和電力系統(tǒng)角度來說，希望調(diào)節(jié)時間短，則轉(zhuǎn)速變化小，機(jī)械強(qiáng)度和供電質(zhì)量易于滿足。eq\o\ac(○,3)研究減小水錘壓強(qiáng)的措施。（水錘現(xiàn)象也是引起壓力管道和機(jī)組振動的原因之一。對于明鋼管，應(yīng)研究水錘引起管道振動的可能性。）三、調(diào)保計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)和條件1、調(diào)保計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)eq\o\ac(○,1)水擊升高值允許值設(shè)置調(diào)壓伐時0.7~0.50.5~0.30.3~0.150.2eq\o\ac(○,2)水擊降低值：尾水管進(jìn)口允許真空度8M，壓力水管不允許出現(xiàn)真空，且須有2~3M余壓。eq\o\ac(○,3)轉(zhuǎn)速變化允許值：容量大，且擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)的機(jī)組<45%；容量小，或擔(dān)負(fù)基荷的機(jī)組<55%；沖擊式水輪機(jī)<30%。2、調(diào)保計(jì)算的控制工況eq\o\ac(○,1)在計(jì)算水頭下：發(fā)額定出力時，全甩負(fù)荷（一般來說）發(fā)生最大轉(zhuǎn)速升高eq\o\ac(○,2)在最大水頭下：發(fā)額定出力時。全甩負(fù)荷（一般來說）發(fā)生最大水擊壓力注：考慮到在電網(wǎng)中運(yùn)行的大、中型機(jī)組大幅度突然增加負(fù)荷的情況一般不會出現(xiàn)?！?—2有壓引水系統(tǒng)水力過渡過程分析一、水擊波的概念負(fù)荷變化調(diào)速器動作、導(dǎo)葉動作導(dǎo)葉處流量發(fā)生變化，該處流速發(fā)生變化水體慣性內(nèi)水壓力變化水體和管壁彈性壓力變化以彈性波的形式在壓力管道內(nèi)傳播。這種現(xiàn)象我們稱為水擊現(xiàn)象，壓力的變化稱為水擊壓力。伐門突然關(guān)閉時水擊的發(fā)展過程沿全管道，伐門突然關(guān)閉：伐門處由于慣性，水流繼續(xù)流入，沿全管段在水庫處，由于壓力差，水流由壓力管流向水庫沿全管長由于慣性，雖然壓力管與水庫壓力平衡水流仍繼續(xù)流向水庫。在伐門處沿全管長在水庫處，由于壓力差，水流由水庫流向管內(nèi)。沿全管段完成一個循環(huán)。水擊現(xiàn)象中，壓力管中流速、壓力變化完成一個循環(huán)的時間稱為一個周期：。水擊在壓力管中傳播一個來回的時間稱為一“相”：。為水擊傳播速度。結(jié)論：1）水擊產(chǎn)生的外部原因是流速的變化，內(nèi)因是水流的慣性。2）由于水體和管壁的彈性，水擊在水管中以彈性波的形式傳播。因此必然遵彈性波的反射原理和迭加原理。在上面的分析中：時，伐門突然關(guān)閉，在伐門端產(chǎn)生一個水擊，這個水擊以彈性波形式向上游傳播，當(dāng)時，水擊波到水庫點(diǎn)，在此發(fā)生反射，形成反射波-。這種改變水擊符號的反射稱“負(fù)反射”。反射波-從水庫點(diǎn)向下游傳播（異號反射）。當(dāng)時，到達(dá)關(guān)閉的伐門端，在伐門端，又一次反射，仍以-向上游傳播。在伐門端產(chǎn)生的反射沒有改變水擊波的符號，稱為正反射。（同號反射）3）上面水擊現(xiàn)象的分析是假定伐門突然關(guān)閉，且不計(jì)水流的水力損失，所以水擊壓力波等值傳播。eq\o\ac(○,1)如果考慮伐門關(guān)閉的時間，則反射波將與伐門不斷關(guān)閉所產(chǎn)生的水擊波進(jìn)行迭加。eq\o\ac(○,2)如果計(jì)及管道的摩阻損失，則速度的變化不斷減小，水擊壓力將迅速減衰以及消失。4）如果伐門突然打開，則其水擊現(xiàn)象將與以上分析相反。二、水擊波的傳播速度根據(jù)在發(fā)生水擊時，管道中的水體應(yīng)仍保持連續(xù)性，可推得：水擊波的傳播速度（一般明管=，埋管=左右。）式中，水的體變模量（約2.1105N/cm2）,：壓力增量；：原體積,：體積增量； ：水體的容重；r：管道半徑，K：管道抗力系數(shù)，三、調(diào)壓室的水位波動現(xiàn)象（見后）§7—3基本方程式一、水擊的基本方程式在水力學(xué)的壓力不穩(wěn)流中，曾導(dǎo)出其基本方程如下：運(yùn)動方程：非線性偏微分方程，不穩(wěn)定流慣性動能位能與壓能摩阻只能用數(shù)值方法求解連續(xù)方程：在運(yùn)動方程中，忽略摩阻，并考慮到動能項(xiàng)遠(yuǎn)小于慣性項(xiàng)和勢能項(xiàng)，不計(jì)。在連續(xù)方程中，最后一項(xiàng)與第一、二項(xiàng)相比小得多，不計(jì)。則得簡化后的水擊計(jì)算基本方程：運(yùn)動方程連續(xù)方程若將X坐標(biāo)方向取為逆流方向，則基本方程成為。7-11這是一個典型的雙曲型線性偏微分方程，7-12在數(shù)理方程中稱波動方程，由數(shù)理方程，該方程的通解代入初始條件得：——7-13——7-14式中：是水擊發(fā)生前穩(wěn)定流的水頭、流速。是以和為自變量的任意波函數(shù)。其具體形式?jīng)Q定于邊界條件。（由7-13因次分析可知，它們與H同名，∴可以稱為壓力波，水擊是這倆種壓力波的迭加）為便于了解水擊的組成，我們分析一下方程7-13的組成。當(dāng)，時：可見：表示以波速，逆水流方向傳播的壓力變化波。稱之為逆流波。當(dāng)，時：可見：表示以波速為，順?biāo)鞣较騻鞑サ膲毫ψ兓ā７Q之為順流波。二、調(diào)壓室的基本方程式（見后）三、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速方程（見后）水錘及調(diào)節(jié)保證計(jì)算的數(shù)值分析方法（略）水錘及調(diào)節(jié)保證計(jì)算的解析方法§9—1直接水擊和間接水擊一、水擊計(jì)算的邊界條件前面曾提到，組成壓力變化波的函數(shù)的具體形式?jīng)Q定于邊界條件。下面分析一下水擊計(jì)算時的邊界條件：1、管道進(jìn)口（水庫點(diǎn)）常數(shù)2、分岔管水頭相等：流量連續(xù)：（流量以流入岔管為正，流出岔管為負(fù)。）3、封閉端4、調(diào)壓室引水道、調(diào)壓室、壓力管交點(diǎn)與分岔管同。5、水輪機(jī)孔口出流公式：：管中流速與過流面積均勻流時，：伐門全開之均勻流速：伐門全開之過流面積相對流速：；（相對開度：）（借用伐門端孔口出流公式）適用于沖擊式水輪機(jī)，對反擊式水輪機(jī)較粗糙。二、水擊波在水庫與伐門端的反射由公式7-137-141、在水庫點(diǎn)：即是說，正向波與經(jīng)過水庫反射回來的反向波大小相同，符號相反?！凹慈羰巧龎翰?，則是降低波“。水庫點(diǎn)反射系數(shù)：——水擊波在水庫處發(fā)生等值負(fù)反射。2、伐門端對7-13，7-14作如下處理，令：;;；則7-13為，7-14為，（對應(yīng)閥門開度的反射系數(shù)）上式說明：伐門處的反射特性與伐門開度有關(guān)。eq\o\ac(○,1)當(dāng)從上游來的順流波在伐門處發(fā)生負(fù)反射。eq\o\ac(○,2)當(dāng)伐門全關(guān)死）此時伐門相當(dāng)于一個封閉端。從上游來的順流波在此發(fā)生等值正反射。eq\o\ac(○,3))當(dāng)從上游來的順流波在此發(fā)生正反射。eq\o\ac(○,4)當(dāng)從上游來的順流波在伐門處不發(fā)生反射。伐門端水擊的反射特性，應(yīng)用于沖擊式水輪機(jī)的噴嘴有足夠的精度，但對反擊式水輪機(jī)則比較粗糙，問題出在推導(dǎo)過程中，用到了反擊式水輪機(jī)不僅決定于且與轉(zhuǎn)速有關(guān)。三、直接水擊和間接水擊1、直接水擊若伐門啟閉時間時，從水庫反射回來的反向波尚未到達(dá)伐門處，伐門啟閉即已完成，這時的水擊稱直接水擊。在伐門處，由公式：7-137-14例：設(shè)伐門在時間內(nèi)，由全開全關(guān)、流速;則：在伐門處產(chǎn)生水擊壓力為；顯然這樣的水擊值是工程所不允許的，是水輪機(jī)運(yùn)行時應(yīng)避免的。2、間接水擊時的水擊稱間接水擊，下面的討論均是間接水擊?！?—2簡單管的水擊計(jì)算——簡單管：水管直徑、厚度、材料沿管長不變。在水擊計(jì)算中，我們所關(guān)心的是水擊的最大值，而水擊產(chǎn)生于伐門處，且從上游反射回來的負(fù)水擊波總是最后到達(dá)伐門處，所以伐門處的水擊最大。伐門處的水擊計(jì)算—研究結(jié)論適用于沖擊式水輪機(jī)，反擊式水輪機(jī)近似適用。一、伐門處的水擊計(jì)算一般公式由公式7-137-13‘7-147-14‘：水擊-壓力變化相對值；=：為管道特性常數(shù)，令：;用表示第相末時刻：；由公式7-13’7-14’兩式相加——（1）第+1相，由公式7-13’7-14’兩式相減——（2）（1）+（2）：——（3）是逆流波經(jīng)過水庫反號等值反射后回到伐門處的順流波。;eq\o\ac(○,3)式右邊為0。由伐門處邊界條件：;（3）式為：——（4）公式（4）是求伐門端水擊壓力值的遞推公式由可逐相求得任一相末伐門處的水擊值。二、當(dāng)開度依直線變化時，伐門端水擊壓力計(jì)算若伐門依直線規(guī)律關(guān)閉（閥門開度遞減）設(shè)1相末伐門開度為，2相末伐門開度為，…相末伐門開度為…則，（若為開啟則閥門開度遞增，）可以證明：這時伐門處的最大水擊壓力不是發(fā)生在第一相末就是發(fā)生在最末一相。前者稱一相水擊，后者稱末相水擊。（見水院編“水電站建筑物”P.130）由伐門反射系數(shù)可以證明（P.168.）當(dāng)時，最大水擊發(fā)生在一相末，當(dāng)時，最大水擊發(fā)生在最末一相。（此為近似判斷條件，因上反射系數(shù)公式為近似公式）伐門動作完畢以后，水擊由于摩阻而迅速衰減。亦可由遞推公式證明如下：令，則得：；同理則：時：-相鄰兩相水擊差值的絕對值遞減，此時若；相鄰兩相水擊差值異號，上下波動。若；相鄰兩相水擊差值同號，逐步趨于。時：-相鄰兩相水擊差值的絕對值遞增，此時不存在極限水擊。說明：是發(fā)生一相水擊的判別式：當(dāng)丟棄全滿負(fù)荷時此時若即則發(fā)生一相水擊?？梢娙珬壺?fù)荷時，只有當(dāng)水頭足夠高時，才有可能發(fā)生一相水擊。一相水擊的計(jì)算：由遞推公式（4）令，則9-72、末相水擊的計(jì)算：一般在以后，由（4）式，則：9-11式中：水擊特性常數(shù)中，+、－分別對應(yīng)導(dǎo)葉關(guān)閉、導(dǎo)葉開啟。9-11表示：ξm與波速a、起始開度τ0無關(guān)三、近似公式一相水擊：由9-7：；；9-14末相水擊：由9-11：令，解之：9-15四、伐門起始開度對水擊的影響調(diào)速器調(diào)節(jié)規(guī)律確定以后，由于起始開度的大小不同，調(diào)速器調(diào)節(jié)導(dǎo)葉關(guān)閉時間不同，如果起始開度很小，導(dǎo)葉關(guān)閉時間很小，則可能在反擊波尚未到達(dá)伐門端時，伐門關(guān)閉已結(jié)束，這時伐門端的水擊是直接水擊。從一相水擊和極限水擊判別條件可以知道，在伐門端，閥門的起初開度對水擊類型和大小有重要的影響?，F(xiàn)分析如下：eq\o\ac(○,1)直接水擊：根據(jù)直接水擊定義：；即發(fā)生直接水擊；；；∴是直接水擊的臨界開度。在這一開度，，eq\o\ac(○,2)一相水擊與有關(guān)，大小，小大。若，，大于極限水擊，最大水擊發(fā)生在第一相末?！喟l(fā)生一相水擊；末相與一相水擊的分界點(diǎn)在：在這一開度，eq\o\ac(○,3)發(fā)生末相水擊：是一條水平線，說明與起始開度大小無關(guān)，只與水擊特性常數(shù)有關(guān)。值得指出的是：我們這里所指的是，水輪機(jī)運(yùn)行時的最小開度，而水輪機(jī)一般情況下，不允許在很小負(fù)荷下運(yùn)行，因此運(yùn)行開度一般不可能產(chǎn)生直接水擊；至于水輪機(jī)空轉(zhuǎn)開度可能很小，但這時，我們可以大大的延長導(dǎo)葉關(guān)閉時間，即減小，從而減小水擊。五、開度變化規(guī)律對水錘的影響六、閥門啟閉終了后的水錘現(xiàn)象開度變化終了后的水擊現(xiàn)象取決于開度變化終了時的閥門反射特性。

令：終了開度，eq\o\ac(○,1)=0，，等值波動；eq\o\ac(○,2)，則，呈衰減波動；=1，則=0，；一相內(nèi)衰減至0>1，則

，逐相衰減。附：由遞推公式：各項(xiàng)除，則：對于增負(fù)荷工況，可得到類似的結(jié)果。但此時較大，出現(xiàn)后兩種情況的可能性較多。（分析見三校合編之p-134）總結(jié)：在運(yùn)行中，我們應(yīng)避免出現(xiàn)直接水擊。在計(jì)算間接水擊時，伐門處壓力最大，先判斷是一相水擊還是末相水擊，然后利用相應(yīng)公式進(jìn)行水擊計(jì)算。前面所推的遞推公式、一相水擊和末相水擊計(jì)算公式都是根據(jù)伐門邊界條件得出，對于沖擊式水輪機(jī)有足夠的精度，但對反擊式水輪機(jī)需對計(jì)算結(jié)果乘一機(jī)型系數(shù)?；霤=1.2，軸C=1.4對于伐門開啟時的水擊同樣可以推得如下公式：注意：①以。②，：即以-代入正水擊中之§9—3復(fù)雜管道的水錘簡化計(jì)算復(fù)雜管有兩種：一種是管徑和管壁厚度自上而下隨著水頭的增加而逐段改變的水管，這種水管稱為串聯(lián)管；另一種是分岔管，這在集中供水中經(jīng)常遇到。無論是串聯(lián)管或分岔管，水錘波在水管特性變化處都將發(fā)生反射，從而使水錘現(xiàn)象更為復(fù)雜。串聯(lián)管串聯(lián)管簡化為等價管計(jì)算，簡化原則是：長度不變相長不變；水體動能不變；；∴；于是等價管的特性常數(shù)和水擊常數(shù)：

分岔管：將分岔管簡化為串聯(lián)管，進(jìn)一步簡化為等價管。分岔管簡化為串聯(lián)管的方法通常有兩種：合支法把岔管之后所有機(jī)組合并成一臺大機(jī)組。L取最長支管加未分岔的總管為計(jì)算長度；引用流量為各機(jī)組流量之和；最長支管的斷面積也用各支管斷面積之和代替。截只法截去暫不計(jì)算的支管，支管段的長度、斷面積、波速和流量按自身的實(shí)際值計(jì)算反擊式水輪機(jī)水錘計(jì)算特點(diǎn)：（1）反擊式水輪機(jī)有蝸殼和尾水管，并以導(dǎo)葉調(diào)節(jié)流量，其過流特性和孔口出流不完全相符。（2）反擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速影響水輪機(jī)的流量，而水斗式水輪機(jī)的流量和轉(zhuǎn)速無關(guān)。（3）當(dāng)流量變化時，反擊式水輪機(jī)的蝸殼和尾水管中亦將發(fā)生水錘現(xiàn)象。蝸殼相當(dāng)于壓力管道的延續(xù)部分，其水錘現(xiàn)象和壓力管道相同；尾水管在導(dǎo)葉之后，其水錘現(xiàn)象則與壓力管道相反：導(dǎo)葉關(guān)閉時產(chǎn)生負(fù)水錘，導(dǎo)葉開啟時產(chǎn)生正水錘。蝸殼與尾水管的水錘影響水輪機(jī)的出流，從而也影響壓力管道中的水錘。在簡化成等價管時應(yīng)計(jì)入它們的作用。假設(shè)把水輪機(jī)的導(dǎo)葉搬到尾水管之后，于是：下標(biāo)T、c、b分別表示壓力管、蝸殼與尾水管。求出水擊壓力后按下列式子進(jìn)行分配：壓力管末端：蝸殼末端：尾水管進(jìn)口處：（負(fù)水擊）尾水管進(jìn)口處真空度校核：8～9m水柱高三項(xiàng)分別為靜力真空、尾管進(jìn)口處負(fù)水擊、尾管進(jìn)口處流速頭（動進(jìn)口處）§9-4水擊壓力沿管長的分布一、簡單管任意點(diǎn)水擊公式7-137-14正向波：反向波：兩式相加： 在水庫點(diǎn)B，又由：則正向波方程反向波方程由正向波方程：兩式相減：即由此一般公式：可求出簡單管任意時刻任意點(diǎn)c的水擊壓力。1、末相水擊沿管長分布：末相水擊沿管長成直線分布。由末相水擊公式：當(dāng)相數(shù)大于3時，即時代入一般公式：當(dāng)伐門成直線關(guān)閉時，右圖兩相似。2、一相水擊沿管長分布一相水擊沿管長成雙曲線分布。一相水擊公式：兩式相減：代入一般公式：為向上凹的雙曲線。當(dāng)時，上式右邊差值最大，此時C點(diǎn)水擊最大。一相水擊沿管長分布的最大水擊壓力為：與x無關(guān)，相對x是常數(shù)；為向上凹的雙曲線其中：（式中：）第一相末終了前時A點(diǎn)水擊，當(dāng)傳到C點(diǎn)時，正好經(jīng)水庫反射折回，與迭加。負(fù)水擊：；其中；§9—5機(jī)組轉(zhuǎn)速變化計(jì)算機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的近似計(jì)算公式在左圖中：：伐門直線關(guān)閉時間。：調(diào)節(jié)遲滯時間。：調(diào)速器減速時間。：升速時間—不平衡出力由水輪機(jī)的剩余能量全部用來提高機(jī)組轉(zhuǎn)速。：導(dǎo)葉從全開至空轉(zhuǎn)開度的動作時間。根據(jù)動量矩定位，機(jī)組轉(zhuǎn)動部分動量矩的變化率等于其所受外力矩之和。即：式中：轉(zhuǎn)動部分之轉(zhuǎn)動慣量（GD2）。：水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，（單位：）以，，，全甩負(fù)荷時，=0代入：得則：（1）轉(zhuǎn)速變化是由于機(jī)組出力與負(fù)荷之間的不平衡出力或：（2）或者說動力矩與阻力矩間的不平衡力矩引起。（kw=kJ/sec=kN·m/sec=0.102T·m/sec;0.102是將kw化為T·m/sec的系數(shù)）不平衡出力N或不平衡力矩M，不僅與導(dǎo)葉動作規(guī)律有關(guān)，而且與機(jī)組的轉(zhuǎn)速、效率、水擊壓力等因素有關(guān)，所以或是一條復(fù)雜的曲線，因此只能做一些近似假定，然后用一些修正系數(shù)進(jìn)行修正，從而得到一系列的轉(zhuǎn)速變化的近似計(jì)算公式。1、列寧格勒金屬工廠公式假定：1）假定導(dǎo)葉按直線規(guī)律動作。2）水輪機(jī)的不平衡出力與時間成直線關(guān)系變化（忽略了轉(zhuǎn)速變化、效率變化、水擊壓力等因素影響）3）不平衡出力由的時間用代替，且不計(jì)則由：積分：經(jīng)整理：：轉(zhuǎn)速變化相對值，稱機(jī)組暫態(tài)不均衡率。：（機(jī)組的時間常數(shù)，它反映機(jī)組轉(zhuǎn)動部分慣性的大小，即在水流出力為時，機(jī)組速度由所需時間）：導(dǎo)葉全開～空轉(zhuǎn)開度的動作時間（沖、混）或（軸）考慮水擊壓力對不平衡出力的影響，加修正系數(shù)。則：；：根據(jù)管道特性常數(shù)查有關(guān)曲線。（p.141.）2、“長辦”公式列寧格勒金屬工廠公式?jīng)]有考慮調(diào)節(jié)遲滯時間，而是以代替升速時間，（真正產(chǎn)生不平衡出力時間）。長辦公式在這方面作了些改進(jìn)。則：從而有：；：修正系數(shù)。升速時間：=（0.9－0.00063）（sec）比轉(zhuǎn)數(shù)§9—6減小水擊壓力的措施1、增大管理，減小流速。2、縮小管道長度L。3、設(shè)置調(diào)壓室（實(shí)際上是縮短壓力水管長度L），4、改善導(dǎo)葉調(diào)節(jié)規(guī)律。5、設(shè)置減壓閥（調(diào)壓伐，空放閥）－反擊式不增大，減小壓力管中流速6、設(shè)置水阻器。－沖擊式變化梯度。7、增加機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量，從而增加機(jī)組時間常數(shù)Tn，增加Ts—中、小機(jī)組第十章調(diào)壓室§10—1調(diào)壓室的作用及其工作原理一、調(diào)壓室的作用調(diào)壓室利用擴(kuò)大的斷面和自由水面反射水錘波。所以對水擊具有類似水庫的反射作用。eq\o\ac(○,1)反射水錘波.基本上避免（或減?。毫艿乐械乃N波進(jìn)入有壓引水道eq\o\ac(○,2).縮短壓力管道的長度.從而減小壓力管道及廠房過流部分的水錘

eq\o\ac(○,3).改變機(jī)組在負(fù)荷變化時的運(yùn)行條件和系統(tǒng)供電質(zhì)量二、調(diào)壓室的水力現(xiàn)象（以突然丟棄負(fù)荷為例）時：此時通過調(diào)壓室的流量為0，調(diào)壓室水位。若此時突然丟棄全負(fù)荷，，由于水流慣性和水庫調(diào)壓室水頭差。水庫水流向調(diào)壓室，使調(diào)壓室水位上升。時：調(diào)壓室水位等于靜水位，，此時水頭為0，但由于慣性，水流繼續(xù)流入調(diào)壓室，流速下降。時：，由于水頭差，水開始倒流入水庫，流速開始增加。時：調(diào)壓室水位等于靜水位，，由于慣性，水流繼續(xù)流入水庫，減小。時：；引水系統(tǒng)—調(diào)壓室中的水流，就是這樣由勢能—動能—勢能—來回往復(fù)，形成調(diào)壓室水位的波動，由于摩阻作用，波動逐漸衰減以至消失。幾點(diǎn)說明：1、引水系統(tǒng)—調(diào)壓室的水力現(xiàn)象和壓力管道中水擊現(xiàn)象。相同點(diǎn)：均為有壓非恒定流現(xiàn)象，而且均為水體慣性引起。不同點(diǎn)：水體以質(zhì)量波的形式在引水系是由于水體和管壁的彈性波。壓統(tǒng)～調(diào)壓室中傳遞。頻率慢、力變化以彈性波的形式傳遞。頻周期長（3-5分鐘）振幅小，率快。周期短（1秒左右）振幅大。2、水擊波的持續(xù)時間比調(diào)壓室波動持續(xù)時間短得多，所以我們研究調(diào)壓室水位波動時，假定水擊現(xiàn)象已經(jīng)完畢。三、調(diào)壓室的基本方程假定：1）調(diào)壓室水位波動時，水庫水位不變。2）不考慮水體及引水道的彈性一般不會影響調(diào)壓室水位的變化。3）忽略調(diào)壓室中慣性水頭和摩阻損失。1、連續(xù)方程（流量連續(xù)）引水道流量應(yīng)為進(jìn)入調(diào)壓室和壓力管流量之和。即：7-182、運(yùn)動方程：（取引水道水體為脫離體）則：即：（二階微量可忽略）7-17：引水道水頭損失；：調(diào)壓室水頭損失（分岔、收縮、擴(kuò)散）3、出力方程：在調(diào)壓室—引水系統(tǒng)波動中，水輪機(jī)水頭、流量發(fā)生變化，但出力維持不變：假設(shè)恒定流與非恒定流時效率相等，則則：§10—2調(diào)壓室的設(shè)置條件及位置選擇一、調(diào)壓室設(shè)置條件雖然調(diào)壓室有以上作用，但耗資較大，所以是否設(shè)置調(diào)壓室要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，在初步設(shè)計(jì)時，可按如下條件確定：eq\o\ac(○,1)上游調(diào)壓室：（）根據(jù)，根據(jù)，確定不設(shè)調(diào)壓室允許最大值?！嚯娬驹谙到y(tǒng)中比重大時取小值壓力引水道慣性時間常數(shù)（也稱水流加速時間常數(shù)）：在設(shè)計(jì)水頭下，當(dāng)不計(jì)水頭損失時，管道內(nèi)流速由0升至須時間。*附注：由動量～沖量關(guān)系：為引水道斷面積；為水容重eq\o\ac(○,2)下游調(diào)壓室—尾水管進(jìn)口真空度控制為設(shè)置下游調(diào)壓室的判斷條件。：壓力尾水道長度；：尾水管進(jìn)口流速；：穩(wěn)定流時尾水道中最大流速。二、調(diào)壓室的設(shè)計(jì)要求調(diào)壓室對水擊反射條件好。①具有自由表面。②有足夠的斷面積。③與壓力管道連接處有足夠斷面。盡量靠近廠房，以縮短壓力管長度，減小水擊。正常運(yùn)行時，水力損失小（與壓力管連接處斷面變化?。?。負(fù)荷變化時，應(yīng)保證調(diào)壓室水位波動振幅小，頻率低，衰減快（要求有足夠斷面，適當(dāng)阻抗）。調(diào)壓室的位置選擇：1、根據(jù)地形、地質(zhì)條件，與引水系統(tǒng)、廠房位置統(tǒng)籌考慮，盡量靠近廠房。2、盡量置于地下，調(diào)壓井一般較經(jīng)濟(jì)、安全地質(zhì)條件好，注意滲水影響圍巖、邊坡穩(wěn)定?！?0-3調(diào)壓室布置方式與類型一、調(diào)壓室布置方式1、上游調(diào)壓室電站采用尾部開發(fā)，有壓引水隧洞較長，在其末端布置調(diào)壓室。2、尾水調(diào)壓室水電站采用首部開發(fā)，有壓尾水隧洞較長，在其首端布置調(diào)壓室。3、上、下游調(diào)壓室水電站采用中部開發(fā)，有壓引水隧洞和有壓尾水隧洞都較長，在廠房上、下游均設(shè)置調(diào)壓室。4、上游雙調(diào)壓室靠近廠房的稱為主調(diào)壓室，另一個稱為副調(diào)壓室。這種布置方式通常在電站擴(kuò)建時遇到，或者因結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件不能滿足要求時采用。二、調(diào)壓室的主要類型：調(diào)壓室的波動是一種能量轉(zhuǎn)換過程：即引水系統(tǒng)水體動能調(diào)壓室水體位能（克服：引水道摩阻+調(diào)壓室局部損失）1、圓筒式斷面上下一樣，所以適用于低水頭（要求穩(wěn)定斷面大）、小容量（水位波動不大）電站特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，水擊反射條件好，恒定流運(yùn)行時，水力損失較大，負(fù)荷變化時波動衰減慢，水位波動大。2、阻抗式適用于：中、低水頭（F較大）；短引水道（反射較差）。特點(diǎn)：與園筒式相反，此外為保證調(diào)壓室對水擊的反射性能，需要注意選擇適當(dāng)?shù)淖杩瓜禂?shù)。3、雙室式：（上室高于最高靜水位，供丟棄負(fù)荷用，下室低于最低靜水位，供增荷時補(bǔ)充壓力管用水。）適用于高水頭（高水頭所需調(diào)壓室穩(wěn)定斷面小豎井?dāng)嗝嫘。?。水庫工作深度大（喉管高度較大），否則意義不大。特點(diǎn)：（ 調(diào)壓室水體的位能。）雙室式提高了水體重心，從而減小了高度（或縮小了斷面）。4、溢流式適用條件與雙室式相同，在雙室式基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高上室的重心，從而進(jìn)一步減小高度或縮小斷面。5、差動式棄荷時與溢流式相同，增荷時與阻抗式相同，綜合了阻抗式與溢流式的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。適用于中、高水頭但地質(zhì)、地形條件不可能建大斷面或深埋調(diào)壓井時。6、氣墊式利用空氣的易壓縮性來限制水位振幅，缺點(diǎn)是波動穩(wěn)定性差，斷面積大，要定期補(bǔ)氣。適用于高水頭地下式廠房§10—4調(diào)壓室水位波動計(jì)算一、調(diào)壓室水力計(jì)算任務(wù)和條件1、計(jì)算調(diào)壓室波動的最高水位——以確定調(diào)壓室高度和引水道內(nèi)水壓力。計(jì)算條件：上游最高水位——設(shè)計(jì)洪水位時甩全負(fù)荷，糙率取可能的最低值。2、計(jì)算調(diào)壓室波動的最低水位——以確定壓力管進(jìn)口高程。計(jì)算條件：上游最低水位—死水位時甩全負(fù)荷之第二波幅?；蛏嫌巫畹退弧浪粫r由時。糙率取可能的最低值。3、確定調(diào)壓室穩(wěn)定所需最小斷面。在調(diào)壓室——引水系統(tǒng)波動過程中，可能出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。所以需進(jìn)行波動的穩(wěn)定計(jì)算，以確定波動穩(wěn)定所需調(diào)壓室的最小斷面。計(jì)算條件：最小水頭（上游死水位），引水道糙率取可能的最小值。二、水位波動計(jì)算解析法：（全甩負(fù)荷時，求園筒式和阻抗式調(diào)壓室的和。）一）計(jì)算最高涌浪連續(xù)方程（流量連續(xù)）：（7-18）中；則：10-3運(yùn)動方程：（7-17）中，忽略速度水頭；則：10-4式中：、：恒定流（Q0）引水道及水流進(jìn)、出調(diào)壓室的水頭損失； 、：引水道、調(diào)壓室的總水頭損失系數(shù)。令，，（調(diào)壓室的阻抗系數(shù)）則10-4為10-5以代入10-3并與10-5合并，消去得：以；；；代入，得10-7對一階線形微分方程10-7積分并代入初始條件：；10-9利用極值條件：當(dāng)即時，∴10-10兩邊取對數(shù)：10-11由（10-3）、（10-4）一階線性微分方程(10-7)利用初始條件求方程的解(10-9)利用極值條件可求得(10-10),兩邊取對數(shù)(10-11)。(10-11中：;;;)二）計(jì)算最低涌浪（、中擇其大者）1、第二振幅運(yùn)動方程：（10-4）成為按以上方法求解：（此時，初始條件為：時，即時；極值條件為：時，即時，。）10-14先求出；即可求出2、增負(fù)荷時，稱負(fù)荷系數(shù)）只能求近似解。簡單圓筒式，按Vogt公式求解：10-16三、圖解法基本原理（略）對于除了解析法解決的問題以外的問題，如甩部分負(fù)荷、增荷、大波動穩(wěn)定等、其他類型調(diào)壓室，均只能利用數(shù)值積分法或圖解法（其原理一樣）。eq\o\ac(○,1)變微分方程為差分方程：由7-18：（10-17）且：（3）由8-2：（10-18）（4）eq\o\ac(○,2)計(jì)算步驟：取時段從開始，由代入（1）式，求得。代入（10-18）式，求得。時，代入（10-17）式，求得?！梢郧蟮藐P(guān)系曲線，即調(diào)壓室水位波動與時間關(guān)系曲線?！?0—5調(diào)壓室水位波動穩(wěn)定一、水位波動穩(wěn)定條件1、假定：波動振幅無限?。珊雎远A微量，即調(diào)壓室的波動是線性的）-運(yùn)動方程理想調(diào)節(jié)，調(diào)速器非常靈敏，使出力嚴(yán)格保持常數(shù)；調(diào)速方程壓力管道的流速水頭不計(jì)；引水道直接與調(diào)壓室相連電站單獨(dú)運(yùn)行，機(jī)組效率保持不變。--不計(jì)電力系統(tǒng)、機(jī)組效率不同等影響。2、托馬公式由7-18、7-17、出力方程二階常系數(shù)齊次線性方程有阻尼自由振動方程振動衰減等價于波動穩(wěn)定（小波動穩(wěn)定的臨界斷面）（10-31）即：（10-32）式中：；（10-33）引水道總水頭損失系數(shù)；eq\o\ac(○,1)由＞0得托馬公式：（10-34）引水道時壓力管時，水力損失水力損失（選用可能的最小糙率—?。ⅲㄟx用可能的最大糙率）、選用可能的最小值由托馬公式可知：H大，則要求F小，H小，則要求F大∴ 中，低水頭，用簡單阻抗式由穩(wěn)定控制斷面面積高水頭，用雙室式，溢流式由波幅控制斷面面積eq\o\ac(○,2)由＞0得＜此條件一般都能滿足。二、波動穩(wěn)定