泵站水锤计算
基于Surge2010的某泵站扬水工程水锤计算及防护分析
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３ 停 泵水 锤 分析
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４ 结 论
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新 疆某泵站采用双线 形式 ， 且两 条管线 并行 ， 采用 相
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第２ ０ 卷第 １ 期
２ ０ １ ４年 １ 月
水利科技 与 经济
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水锤的计算资料讲解
水锤的计算水锤的计算电站有压引水系统中，由于管道阀门突然启闭或水轮机突然失去负荷等原因，将引起压力管道、水轮机蜗壳的等压强和流速等水力要素随时间急剧变化。
明渠或河道中，因暴雨径流、潮汐、溃坝、闸门启闭、水电站或水泵站的调节以及地震影响等，都会引起明渠或河道上下游水位、流量等水力要素随时间的变化，这些都属于非恒定流现象。
从物理本质上讲，上述有压管道或明渠的非恒定流都属于某种扰动引起水流中流速、压强、流量、水位等水力要素的变化，并沿管道或明渠的上下游发展的现象。
在物理学中把这样的扰动在介质中的传播现象称为波。
有压管道和明渠中的非恒定流就是这样一种波，波所到之处，破坏了原先的恒定流状态，使该处的水力要素随时间发生显著变化。
由于有压管道没有自由表面，非恒定流现象表现为压强和密度的变化和传播，因此需要考虑液体的可压缩性和管壁弹性变形的影响。
而明渠水流有自由表面，非恒定流现象表现为水位、流量的变化和传播，液体的密度可视为常数。
可见，这两种波传播特点是不一样的，有压管道非恒定流产生的波要以弹性波的形式传播，水流运动过程中起主要作用的力是惯性力和弹性力；而明渠非恒定流主要以重力波的形式传播，水流运动过程中起主要作用的力是惯性力和重力。
两者的共同点是流速和流量均随时间发生显著变化。
本章先研究有压管道非恒定流。
在有压管道系统中，由于某一管路元件（如阀门）工作状态的突然改变，导致液体的流速发生急剧变化，同时引起管内液体压强大幅度波动，这种压强波动在管道中交替升降来回传播的现象称为水击现象。
由于发生水击现象的同时，可能伴随着发生锤击管壁般的响声，故水击又称水锤。
水击可能导致管道系统强烈振动、出现噪声和气穴，甚至使管道严重变形或爆裂。
管道系统中阀门的突然开启或关闭、管道系统中水泵的突然停机、水电站在运行过程中由于电力负荷的突然改变而迅速启闭导水叶或闸阀等，都是工程实际中常见的水击现象。
另外在水电站引水系统中，为了削弱水击影响的强度和范围，常在引水系统中设置调压井。
水锤泵计算公式
水锤泵计算公式
水锤泵计算公式是根据水锤现象以及流体力学原理推导得出的。
水锤现象是指在流体中运动的突然停止或改变方向时，流体产生的压力冲击波导致系统内部产生振荡和压力变化的现象。
在水锤泵系统中，假设管道长度为L，对应的传递时间是t，水锤泵的流量Q，开关阀门的关闭时间为Tc，管道内径为d，管道内壁摩擦阻力系数为f，根据水锤泵系统的计算公式可以得出：
1.水锤泵系统的流速：
v = Q / (π * d^2 / 4)
2.水锤泵系统的传递时间：
t = L / v
3.水锤泵系统的惯性力：
F = (Q * v) / g
4.水锤泵系统的水锤压力：
P = F / (π * d / 2)^2
5.水锤泵系统的水锤冲击压力：
Pc = P * (1 + f)
6.水锤泵系统的关闭时间：
Tc = t + (2 * d * f) / v
这些公式可以帮助工程师和设计师计算水锤泵系统中各种参数的数值，以便合理设计和优化系统结构，避免水锤现象对系统造成的损坏和压力波动。
在实际应用中，可以根据具体情况适当拓展和修正这些公式，考虑更多因素的影响，如管道材料的弹性系数、阻流器的阻尼效果等。
对于水力系统中的水锤问题，还可以利用数值模拟方法，通过计算流体动力学软件模拟流体的运动和压力变化，进一步优化系统设计和运行参数，使得系统更加稳定和可靠。
水锤压力计算
水锤压力计算（一）
（1）根据小水电运行情况,水锤压力计算按以下两种工况计算：
a. 水库正常蓄水位 2180.0m 时，机组突然丢弃全部负荷。
b.小水电运行限制水位 2178.0m 时，机组由空转至满负荷运行。
（2）水锤计算基本公式：
a. 钢管中水锤波传播速度α值：
式中 1425—声波在水中的传播速度（m/s ）；
ε—水的弹性模量，ε=2.1×104（kg/cm 2）；
E —管壁的弹性模量，E 钢=2.1×106（kg/cm 2）；
D —压力管道的内径（mm ）；
δ—管壁厚度（mm ）。
b. 水锤波在水管中传播来回一次所需时间：
式中 L —压力钢管总长度（m ）；
α—水锤波传播速度（m/s ）。
c. 压力水管特性常数：
式中 ρ、σ—钢管特性常数；
H —水电站的静水头（m ）；
V —钢管中水流流速 （m/s ）；
Ts —导叶关闭时间 Ts=5s 。
(3) 经过计算判断得压力钢管内水锤为间接水锤，最大值为极限水锤，水锤压力沿程分布计算成果见表1.3.1。
压力钢管水锤压力计算成果表
gH V 2αρ=
gHTs
LV
=σδ
εαD
E +=11425
α
L
t r 2=
(4)水锤压力沿程分布曲线见附图1.1.1。
停泵水锤的计算方法详解
停泵水锤计算及其防护措施停泵水锤是水锤现象中的一种，是指水泵机组因突然断电或其他原因而造成的开阀状态下突然停车时，在水泵及管路系统中，因流速突然变化而引起的一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象。
一般情况下停泵水锤最为严重，其对泵房和管路的安全有极大的威胁，国内有几座水泵房曾发生停泵水锤而导致泵房淹没或管路破裂的重大事故。
停泵水锤值的大小与泵房中水泵和输水管路的具体情况有关。
在泵房和输水管路设计时应考虑可能发生的水锤情况，并采取相应的防范措施避免水锤的发生，或将水锤的影响控制在允许范围内。
我院在综合国内外关于水锤的最新科研成果并结合多年工程实践的经验，以特征线法为基础开发了水锤计算程序。
这一程序可较好地模拟各种工况条件下水泵及输水管路系统的水锤状况，为高扬程长距离输水工程提供设计依据。
1 停泵水锤的计算原理停泵水锤的计算有多种方法:图解法、数解法和电算法。
其基本原理是按照弹性水柱理论，建立水锤过程的运动方程和连续方程，这两个方程是双曲线族偏微分方程。
运动方程式为：连续方程式为：式中H ——管中某点的水头V——管内流速a——水锤波传播速度x——管路中某点坐标g——重力加速度t——时间f——管路摩阻系数D——管径通过简化求解得到水锤分析计算的最重要的基础方程：H-H0＝F(t-x/a)+F(t+x/a) (3)V-V0＝g/a×F(t-x/a)-g/a×F(t+x/a) (4)式中F(t-x/a)——直接波F(t+x/a)——反射波在波动学中，直接波和反射波的传播在坐标轴(H，V)中的表现形式为射线，即特征线。
它表示管路中某两点处在水锤过程中各自相应时刻的水头H与流速V之间的相互关系。
为了方便计算机的计算，将上述方程组变换为水头平衡方程和转速改变方程，即成事故停泵时水泵的两个边界条件方程式：F1＝PM-BQv+H n(β2+v2)(A0+A1x)-ΔH0v2/(τ2)＝0 (5)F2＝(β2+v2)(B0+B1x)+m0-C3(β0-β)＝0 (6)式中β——N/N n(实际转速/额定转速)v——Q/Q n(实际流量/额定流量)通过上述两式的联立，采用牛顿—莱福生迭代公式，可以解出v和β的近似数值。
停泵水锤的计算方法详解
停泵水锤的计算方法详解停泵水锤计算及其防护措施停泵水锤是水锤现象中的一种，是指水泵机组因突然断电或其他原因而造成的开阀状态下突然停车时，在水泵及管路系统中，因流速突然变化而引起的一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象。
一般情况下停泵水锤最为严重，其对泵房和管路的安全有极大的威胁，国内有几座水泵房曾发生停泵水锤而导致泵房淹没或管路破裂的重大事故。
停泵水锤值的大小与泵房中水泵和输水管路的具体情况有关。
在泵房和输水管路设计时应考虑可能发生的水锤情况，并采取相应的防范措施避免水锤的发生，或将水锤的影响控制在允许范围内。
我院在综合国内外关于水锤的最新科研成果并结合多年工程实践的经验，以特征线法为基础开发了水锤计算程序。
这一程序可较好地模拟各种工况条件下水泵及输水管路系统的水锤状况，为高扬程长距离输水工程提供设计依据。
1 停泵水锤的计算原理停泵水锤的计算有多种方法:图解法、数解法和电算法。
其基本原理是按照弹性水柱理论，建立水锤过程的运动方程和连续方程，这两个方程是双曲线族偏微分方程。
运动方程式为：连续方程式为：式中H ——管中某点的水头V——管内流速a——水锤波传播速度x——管路中某点坐标g——重力加速度t——时间f——管路摩阻系数D——管径通过简化求解得到水锤分析计算的最重要的基础方程：H-H0＝F(t-x/a)+F(t+x/a) (3)V-V0＝g/a×F(t-x/a)-g/a×F(t+x/a) (4)式中F(t-x/a)——直接波F(t+x/a)——反射波在波动学中，直接波和反射波的传播在坐标轴(H，V)中的表现形式为射线，即特征线。
它表示管路中某两点处在水锤过程中各自相应时刻的水头H与流速V之间的相互关系。
为了方便计算机的计算，将上述方程组变换为水头平衡方程和转速改变方程，即成事故停泵时水泵的两个边界条件方程式：F1＝PM-BQv+H n(β2+v2)(A0+A1x)-ΔH0v2/(τ2)＝0 (5)F2＝(β2+v2)(B0+B1x)+m0-C3(β0-β)＝0 (6)式中β——N/N n(实际转速/额定转速)v——Q/Q n(实际流量/额定流量)通过上述两式的联立，采用牛顿—莱福生迭代公式，可以解出v和β的近似数值。
抽水泵站水锤分析计算及防护
2.6 快关 10 s，全关 180 s 在该工况下，水泵机组最大反转转速 -557 r/m in，管道中出
2 两阶段缓闭蝶阀（无空气阀）
当水泵断电后，管道中水流速度急剧减小，由于出口阀门 拒动，出水管道及出水池中的水将向管道中倒流，引起机组倒 转。在管道上不布设空气阀，只采用两阶段缓闭蝶阀，采用特征 线法复核能否满足水锤防护要求。 2.1 快关 5 s，全关 15 s
图 1 快关 5 s，全关 15 s 水锤管路压力包络线 该工况下，水锤管路压力包络线见图 1。水泵机组不出现 反转，但是管道中会发生断流弥合水锤，最大正常工作压力 98.5 m ，最大正压 293.8 m ，最大负压 -10 m 。不在控制范围内， 不满足水锤防护要求。 2.2 快关 5 s，全关 30 s 在该工况下，水泵机组不出现反转，但是管道中会发生断 流弥合水锤，最大正常工作压力 98.5 m ，最大正压 270.1 m ，最 大负压 -10 m 。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。 2.3 快关 10 s，全关 30 s 在该工况下，水泵机组不出现反转，但是管道中会发生断 流弥合水锤，最大正常工作压力 98.5 m ，最大正压 262.7 m ，最 大负压 -10 m 。不在控制范围内，不满足水锤防护要求。 2.4 快关 10 s，全关 60 s 在该工况下，水泵机组不出现反转，管道中发生断流弥合
1 泵站概况
三级泵站布置于整个输水干管起点，泵站通过直径为 D N 1400 球墨铸铁管输水干管将水送至四级站前池，输水干管 总长约 14.91 km 。其中，泵站设计站上水位 1008.0 m ，设计站 下水位 932.0 m 。共安装 4 台离心泵，其中 3 台工作，1 台备用。 单泵设计流量 0.80 m 3/s，设计扬程 100 m ，转速 990 r/m in。按照 相关设备制造厂商资料，机组转动惯量取 500 kg·m 2。当 3 台 工作机组同时断电时，引起的水锤压力最大，对系统造成的危 害也最大。泵后阀门的快关时间需要根据阀门拒动工况下的 流量变化进行初步确定，故先要进行阀门拒动的水力过渡模 拟，在此基础上，初步确定阀门关闭规律，再根据计算结果进 行调整，最终得到最理想的关闭规律，使系统的最大最小压力 控制在管道承压限度之内的同时，满足机组的倒转要求。防护 准则为：水泵机组的倒转转速不超过 1.2 倍的额定转速，且超 过额定转速的持续时间不超过 2 m in；系统最大压力不超过工 作压力的 1.3～1.5 倍，最大负压不超过 3 m ，且不能出现断流 弥合水锤。
北方取水工程水锤计算及水锤防护建议
北方某取水工程水锤计算及水锤防护建议摘要：本文采用机模拟北方某城市取水工程的停泵水锤工作情况。
并根据模拟结果，提出了泵房和输水管线设计中应注意的以及停泵水锤的防护措施。
关键词：水锤水锤防护1. 取水工程基本情况北方某市引黄工程取水泵房设计建设于黄河岸边，一期设计最大取水流量s（两大一小三台水泵并联运行）。
原水输水管道总长度为，分别为DN1600钢管（L=640m）和球墨铸铁管（L=），起点(吸水井最低水位与终点（稳压井堰上水位）的最大几何高差为。
整个输水管线纵坡从泵房至水厂呈较为均匀的上升，平均坡度为%，其中在0+640号和2+140号桩的纵坡有一定的变化；在平面走向方面，有三个转折点，其Gy1、Gy2和Gy3的转折角度分别为153°、118°和134°。
该取水泵房（一期）设计配备四台水泵，具体参数如下表所示：运行状况：夏季 2大（同1+异1）+1小（同1），最不利情况冬季 2小（同1+异1）+1大（同1）2. 主要技术参数根据水泵和电机制造厂提供的设备参数，主要设备的转动惯量如下：3. 水锤数学模型和根据GB/T-50265-97《泵站设计规范》第条规定：有可能发生水泵危害的泵站均应进行事故停泵水锤。
…在初步设计阶段和施工图阶段，宜采用特征线法或其它精度比较高的进行。
水锤的特征线法的基本原理就是按照弹性水拄，建立管道瞬变流（水锤）过程的运动方程和连续方程（这两个方程是双曲线族偏微分方程）。
经过简化求解，得到水锤最重要的基础方程。
这个方程组的基本意义是管路系统中任何一点的压力和速度与直接波和反射波的相互作用有关，而直接波和反射波的传递在坐标轴中的表现形式为射线，即特征线。
将上述基础方程经过转换成为便于机的的特殊方程就可以通过计算机模拟各种工况下的水锤情况。
4. 水锤模拟计算结果无阀管路水锤工况夏季运行（两大一小并联运行）从表示水锤压力和水泵工况的两份图表（图-1、图-2）可以得知：冬季运行（两小一大并联运行）普通止回阀管路水锤工况夏季运行（两大一小并联运行）从表示水锤压力和水泵工况的两份图表（图-5、图-6）可以得知：在此管路条件下一旦发生停泵水锤，水泵出口管道水锤压力值将达到200m，为额定扬程的倍，最高水锤值出现在第12s左右，水锤峰值时间间隔为11s。