第一节 水锤现象和研究水锤的目的
第八章 水锤
x) c
f
(t
x) c
(5)
V
V
V0
g c
[ F (t
x) c
f
(t
x)] c
(6)
c
c
H H H0 g (v v0 ) g (v0 v)
从上式可看出：
①关闭阀门，流速减小，水锤压力为正，发生正水锤；
②开启阀门，流速增大，水锤压力为负，发生负水锤；
③水锤压力仅与流速变化和水击波速有关，而与开度的
2gH0
1
1 1
0
1 2
第二相末的水锤压力：
同理得：
2
1 2
0
1
1
1
2
2
同理可求出第n相末：
n
1 n
0
1
n1
i
i 1
1
2
n
水锤的连锁方程：
1
1 1
0
1 2
2
1 2
0
1
2 2
n
1 n
0
n1 1
i
n 2
cv0 ,为水锤常数
2gH0
连锁方程优点： 适应于任意关闭规律 的求解。 缺点： 连锁方程为一递推公 式，需逐项求解，繁 琐，欲求 n 必须先 求出 1,2 ,n1
对于直线关闭情况的水锤，根 据最大水锤压力出现的时间归 纳为两类：即一相水锤和极限 水锤，产生不同水锤现象的原 因是由于阀门的反射特性不同 造成的，即可能为正反射也可 能为负反射。因此使得最大水 锤压力出现的时间不一样。其 判别条件是 0 是否大于1。
水锤波在水管特性变化处的反射
1、水库端：等值异号反射，反射系数：
2、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。
水电站的水锤与调节保证计算
水管进口
L 压
力 管
水轮机 Hg 主阀
道
水锤前稳定工况（恒定流）：
平均流速: V 0
电站静水头: H g
管内水压力： P 0
讨论阀门关闭时的水锤
第一节 水锤现象及传播速度
Hg
Hg
二、水锤及其传播过程 ❖ 0~L/a: 升压波
由阀门向水库传播，水库为异号 等值反射。（惯性） ❖ L/a~2L/a: 降压波 由水库向阀门传播，阀门为同号 等值反射。（压差） ❖ 2L/a~3L/a: 降压波 阀门→水库。 （惯性） ❖ 3L/a~4L/a: 升压波 ❖ 水库→阀门。（压差）
❖ 应满足的前提条件：水管的材料、管壁厚度、直径 沿管长不变。
❖ 水击连锁方程用相对值来表示为：
tAtD t2(vtAvtD t)
tD tA t 2(v tD v tA t)
二、水锤的连锁方程
D
Lat
❖ 若已知断面A在时刻 t 的压力为HtA，流速为VtA ，两个通 解消去 f 后，得：
H tAH gc g(V tAV 0)2F(ta x)
❖ 同理可写出时刻Δt=L/a后D点的压力和流速的关系：
H tD t H g c g (V tD t V 0 ) 2 F (t tx aL )
D0 —管 道 内 径m， E —管 道 的 材 料 弹 性 （材不料同， 取 值 不 同 ） t —管 壁 厚 度m，
四、研究水锤的目的
(一) 水锤的危害 (1) 压强升高过大→水管强度不够而破裂； (2) 尾水管中负压过大→尾水管空蚀，水轮机运行
时产生振动；出现严重的抬机现象 (3) 压强波动→机组运行稳定性和供电质量下降。 (二) 调节保证计算的目的
水锤和机组转速变化的计算，一般称为调节保证 计算。
水锤及调压室—水锤现象和研究水锤的目的
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，也是我们的
主要研究对象。
六、间接水锤的两种类型
第一类：当 ρτ０<1时，最大水锤压力出现在第一相末，称第一 相水锤。 第二类：当 ρτ０ >1时，最大水锤压力出现在第一相以后的某一 相，其特点是最大水锤压力接近极限值ξm，即 ξm ＞ ξ1 ，称为极 限水锤。
五、直接水锤与间接水锤 1、直接水锤
水轮机调节时间Ts≤2L/c，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波的影响。
H
H
H0
c，g——重力加速度， V０——管道中水流起始平均流速， V——阀门关闭完成后阀门处流速。
五、直接水锤与间接水锤 2、间接水锤
四、水锤特性
① 当突然启闭阀门时，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。
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的形式 沿管道传播。摩擦阻力的存在造成能量损耗，水锤波将逐渐衰减。
③ 水锤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(即边界处)均要发生波的反射。其反射特性(指反射波的数 值及方向)决定于边界处的物理特性。
项目10 水锤及调压室
1
水锤现象和研究水锤的目的
2
减小水锤压强的措施
3
调压室
项目10 水锤及调压室
10.1 水锤现象和研究水锤的目的
一、水锤现象
概念：在水电站运行过程中，为了适应负荷变化或由于事故原因， 而突然启闭水轮机导叶时，由于水流具有较大的惯性，进入水轮机 的流量迅速改变，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的 压力随之变化，这种变化是交替升降的一种波动，如同锤击作用于 管壁，有时还伴随轰轰的响声和振动，这种现象称为水锤。
第九章水击
三、水击特性
(1)水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。 (1)水锤压力实际上是由于水流速度变化而产生的惯性力。 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， 当突然启闭阀门时，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。 较大，而且整个变化过程是较快的。
（9-6） （9-7）
（9-4） （9-5）
Eh ) Kf = ( 2 1 − µ c r1
100 K 0 Kr = r2
钢衬抗力系数， 式中 KS ——钢衬抗力系数，按式（9-2）计算， 钢衬抗力系数 按式（ ）计算， r=r1，为回填混凝土内半径，m； ，为回填混凝土内半径， ； Kh为回填混凝土抗力系数；Kf为环向钢筋抗力 为回填混凝土抗力系数； 系数； 为围岩单位抗力系数； 系数；Kr为围岩单位抗力系数；K0为岩石单位抗力 系数。 为隧洞开挖直径， 为混凝土泊松比； 系数。r2为隧洞开挖直径，m; µc为混凝土泊松比； 其他符号意义同前。 其他符号意义同前。
（9-1） ） 2 E w 1 + kr ——水的体积弹性模量。在一般压力和温度下， =2.06×106KPa 水的体积弹性模量。 水的体积弹性模量 在一般压力和温度下， w × E
a =
式中
Ew
水体密度， 水体密度 大小与温度有关，温度越高，密度越小， ρ W ——水体密度，大小与温度有关，温度越高，密度越小，一般 ρ W=1000Kg/m3 为声波在水中的传播速度， 为声波在水中的传播速度 一般为1435m/s; Ewρw ——为声波在水中的传播速度，一般为 压力管道半径， 压力管道半径 r ——压力管道半径，m; K——压力管壁抗力系数，不同材料管道，各取不同数值。 压力管壁抗力系数，不同材料管道，各取不同数值。 压力管壁抗力系数
引起供暖管道水锤现象原因分析及预防措施
引起供暖管道水锤现象原因分析及预防措施近年来，随着城市不断发展，供暖管道的使用越来越普遍，但是问题也随之出现。
其中之一便是供暖管道产生的水锤现象。
水锤现象所带来的危害越来越明显，因此深入了解其原因和预防措施就显得尤为重要。
这篇文档将对水锤现象的原因进行分析，并提出预防措施，以期对相关工作者和群众提供帮助。
一、水锤现象的原因1.供水压力不稳定造成水锤电梯式供水系统的压力不稳定，不仅会影响到用户的正常生活用水，还可能会导致供暖管道水锤现象的出现。
因为当管道内的水流动速度突然发生变化时，会引起管道内产生振动，而且管道内水的冲击力也会不断增大。
当水流速度变化到一定程度时，将会产生水锤现象，造成管道的损坏和噪音干扰。
2.管道设计不合理管道的设计不合理也是产生供暖管道水锤现象的一个原因。
如果管道的走向过于弯曲，管道内的水流就会受到阻碍，流速将会发生变化，产生水锤过程中的高水压和低水压等影响。
如果管道的直径过小，水流速度也相应增加，产生的水锤现象也会更加严重。
3.供水管道维护不当管道内存在污垢等物质，会阻碍管道内水的正常流动，导致管道出现水锤现象。
此外，管道的老化和磨损、密封件的损坏等也会影响管道的运行，从而使水锤现象更加严重。
二、预防措施1.管道设计合理合理的管道设计可以降低水流速度的变化，减少水锤现象的发生。
特别是在设计中应避免过于弯曲的走线，并使用适当的直径管道。
2.供水系统压力稳定供暖管道的水来源是否来自电梯式供水系统，时常检查供水压力是是否稳定，如果有发现压力不稳定即时处理。
3.管道维护保养定期清洗和检查管道，除去其中的污垢和杂物，是降低水锤现象的重要手段。
保持管道的完好和清洁，可以有效减少管道内的阻力和水流速度的波动。
4.采用合适的缓冲装置在管道的关键部位，使用缓冲装置，可以有效减轻水锤现象的影响。
常用的缓冲装置有缓冲垫和阀门等，可以满足不同的使用要求。
综上所述，供暖管道水锤现象对供暖工作的影响十分重大，因此灵活应对，处理妥当，遵循配套维护措施，可以有效地降低水锤现象的发生率，确保供暖工作的正常进行，为我们的生活和工作带来更加舒适的环境。
水锤及调压室—减小水锤压力的措施
1
水锤现象和研究水锤的目的
2
减小水锤压强的措施
3
调压室
项目10 水锤及调压室
10.2 减小水锤压强的措施
一、缩短压力管道的长度
缩短压力管道长度，使从进水口反射回来的水锤波能够较早地回 到压力管道末端，从而减小水锤值。
从管道特性系数σ＝LVmax/gH0Ts中可看出，减小L可以减小，在较 长的引水系统中，设置调压室，是缩短压力管道的常用措施。
3. 设置水阻器(水电阻)。机组丢弃负荷时，调速器使水阻器投入运 行，使机组原来输入系统中的功率消耗于水阻之中，即用水阻 代替原有负荷。 注：水阻器对于增加负荷时不起作用。
四、选择合理的调节规律
采用合理的关闭规律能有效地降低水锤压力值。 ✓ 中低水头电站：最大水锤压强常出现在调节过程终了，水轮 机导叶可采取先快后慢的关闭规律，以提高开始阶段的水锤 压强，降低终了阶段的水锤值； ✓ 高水头电站：最大水锤压强通常出现在调节过程开始阶段， 可采用先慢后快的调节规律。
二、减小压力管道的流速
减小流速可减小压力管道中单位水体的动量，从而减小水 锤压力。
但是水电站在运行中要求流量是一定的，要减低流速势必 要加大管径，增加管道造价。因此用加大管径办法降低水 锤压强，往往不经济。
但在一定条件下，如果适当加大管径后便可不设调压室， 还是比较合理的。
三、延长有效的关闭时间
延长有效的关闭时间Ts，可降低水锤压力，但使机组转速变化 率β值增加，甚至超过允许值，要解决这个矛盾，可采取以下措 施：
1. 反击式水轮机设置减压阀(空放阀)：在蜗壳的进口附近装设减压 阀。但：减压阀在的关闭时间
2. 冲击式水轮机的机组装置偏流器(折流器)。偏流器构造简单，造 价便宜，且无需增加厂房的尺寸，在水斗式水轮机的机组经常 采用。 注：偏流器在增荷时不起作用。
水锤现象及解决方案
当采用异步电机供水时,异步电机在全压起动时,从静止状态加速到额定转速所需时间极短.这就意味着在极短的时间里，水的流量从零猛到额定流量。
由于流体具有具有动能和一定程度的压缩性，因此在极短的时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高和过低的冲击。
压力冲击将使管壁受力而产生噪声,犹如锤子敲击管道一样，故称为水锤效应。
水锤效应有极大的破坏性：压强过高,将引起管子的破裂，反之，压强过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件。
水力发电厂的水轮机在进水叶动作时也会发生这种现象.据我老师说他还碰到过进水叶因关闭过快而引起压水管爆裂的事故.水锤效应是一种形象的说法.它是指给水泵在起动和停车时,水流冲击管道,产生的一种严重水击.由于在水管内部，管内壁是光滑的，水流动自如.当打开的阀门突然关闭或给水泵停车，水流对阀门及管壁,主要是阀门或泵会产生一个压力.由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下,水力迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水利学当中的“水锤效应"，也就是正水锤。
相反，关闭的阀门在突然打开或给水泵启动后,也会产生水锤,叫负水锤，但没有前者大。
另一种关于水锤效应的说法:异步电动机在全压启动时，从静止状态加速到额定转速，水的流量从零猛增到额定流量。
由于流体具有动量和一定程度的可压缩性，因此,在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击,并产生空化现象.压力冲击将使管壁受力而产生噪音，就像锤子敲击管子一样,称为水锤效应。
采用恒压供水，可以通过对时间的预置来延长启动和停车过程，使动态转矩大为减小,从而从根本上消除水锤效应.实际上,水锤出现在起泵和停泵两种情况下.停泵时，如果是扬程很高，泵通过关断电源自然停止，水会逆向砸下来，形成水锤。
解决的办法是采用变频器或软起动器，用变频器最好，要多舒缓都可以，但是如果不需要调速,成本就高了,用软起动器就可以了，大多数软起动器具有软起和软停双重功能。
水锤产生的另一个原因是水管中有空气，空气柱在突然降压时会膨胀，推动水柱运动，这样气推水，水推气，形成水锤,形成大的破坏力。
水锤综合实验总结
水锤综合实验总结水锤综合实验总结一、引言水锤是指在管道系统中由于阀门的突然关闭或开启而产生的压力冲击波。
这种冲击波会对管道系统造成严重的损坏，甚至导致爆破事故。
为了研究和预防水锤现象，进行了水锤综合实验。
二、实验目的1. 理解水锤现象的产生原理；2. 掌握测量和分析水锤冲击力和压力波动的方法；3. 研究不同参数对水锤现象的影响；4. 提出相应的预防措施。
三、实验装置1. 实验装置主要由供水系统、试验管道、阀门和传感器组成。
2. 供水系统包括供水泵、储水罐和调节阀，用于提供一定流量和压力的液体。
3. 试验管道是一个直径为50mm的钢制管道，长度为10m，上面安装有多个传感器。
4. 阀门用于控制液体流动速度和关闭时产生冲击波。
5. 传感器包括压力传感器、加速度传感器和位移传感器，用于测量压力、冲击力和位移。
四、实验步骤1. 打开供水泵，调节调节阀使液体流动速度稳定在一定值。
2. 记录不同阀门开启和关闭速度下的压力波动曲线，并测量相应的冲击力和位移。
3. 改变液体流动速度，重复步骤2。
4. 分析数据，得出结论。
五、实验结果与分析1. 实验数据显示，在阀门突然关闭时，管道内产生了明显的压力波动。
这是由于液体在突然关闭时产生了惯性作用，导致压力迅速增加。
2. 随着阀门关闭速度的增加，压力波动幅度也增大。
这是因为关闭速度越快，液体惯性作用越大，产生的冲击力也越大。
3. 在不同流动速度下进行实验发现，流动速度越大，压力波动幅度也越大。
这是因为流动速度越大，液体惯性作用越强，产生的冲击力也越大。
4. 通过分析实验数据得出结论：水锤现象与阀门开关速度和流动速度密切相关。
在实际工程中，应注意控制阀门的开关速度和流动速度，以避免水锤现象的发生。
六、实验总结1. 通过本次水锤综合实验，加深了对水锤现象的理解。
水锤是由于阀门的突然关闭或开启而产生的压力冲击波，对管道系统造成严重损坏。
2. 实验结果表明，水锤现象与阀门开关速度和流动速度密切相关。
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第一节水锤现象和研究水锤的目的
一、水锤现象
《水力学》这门课程告诉我们，当压力管道末端的流量发生变化时，管道内将出现非恒定流现象，其特点是随着流速的改变压强有较显著的变化，这种现象称为水锤（亦称水击）。
图14-1为一压力管道的示意图。
管道末端有一节流阀A；阀门全开时管道中的恒定流速为Vo,若忽略水头损失，管末水头为Ho ,管道直径为do，水的密度为ρo。
当阀门突然关闭（关闭时间
=0)后，阀门处的流速为零，管道中的水体由于惯性作用，仍以流速Vo 流向阀门，首先使靠近阀门dx长的一段水体受到压缩，如图14-
1（a），在该段长度内，流速减为零，水头增至Ho +△H,水的密度增至ρo+△ρ,管径增至do +△d。
由于dx上游水体未受到阀门关闭的影响，仍以流速Vo流向下游，使靠近dx上游的另一段水体又受到压缩，其结果使流速、压强、水的密度和管径变化与dx段相同。
这样，整个压力管道中的水体便逐步被压缩。
水头变化△H称水锤压强，其前峰的传播速度c称水锤波速。
当时间t=L/c（L为管长）时，水锤波传到B点。
B点的左边为水库，压强不变，右边的压强比左边高△H,不能平衡，管道中的水体被挤向水库，其流速为Vo,使管道进口的压强恢复到初始状态Ho ,水的密度和管径也恢复到初始状态ρo和do.可以看出，水锤波在B点发生了反射，反射波的绝对值与入射波相同，均为△H,但符号相反，即由升压波反射为降压波，故B点的反射规律为异号等值反射，这是水库对水锤波反射的特点。
B点的反射波以速度c向下游传播，反射波所到之处，消除了升压波的影响，使管道中水的压强、密度和管径都恢复到初始状态，但流速方向与初始状态相反，见图14-1(b)。
当t=2L/c时，管道中的压强虽恢复正常，但其中的水体仍以流速Vo 向上游流动，由于阀门是关闭的，要求流速为零，故此向上游的流速Vo必然在阀门处引起一个压降△H，可以看出，水库反射波在阀门处再一次发生反射，其数值和符号均不变，即降压波仍反射为降压波，故A 点的反射规律为同号等值反射，这是阀门完全关闭状态下的反射特点。
阀门处的反射波仍以速度Vo向上游传播，所到之处，管道内压强降为Ho-△H,管径减为do-△d,水的密度变为Po-△P,流速变为零，如图14-1（c）所示。
当t=3L/c时，阀门的反射波到达B点，B点右边管道中的压强比左边水库低△H，压强仍不能平衡，水库中的水体必然以流速Vo挤人水管，使水管的压强逐步恢复正常，如图14-1 (d）。
可见，水库将阀门反射回来的降压波又反射成升压波，以速度c传播回去，其值仍为△H,这是符合水库的“异号等值”反射规律的。
当t=4L/c时，水库第二次的反射波又到达A点，此时整个压力管道中的压强和流速都恢复到初始状态。
因此，时间t=4L/c称为水锤波的“周期”。
此后水锤现象又重复以上过程。
水锤波在管道中传播一个来回的时间t=2L/c,称为水锤波的“相”，两相为一周期。
图 14-1 压力管道水锤示意图
以上讨论忽略了摩阻的影响，摩阻的存在将带来能量的损耗，实际上，水锤波在管道中的传播不是一个振幅不变的持续振荡，而是逐渐衰减趋于消失。
实际上阀门不可能突然关闭，总有一定的历时，其水锤现象比突然
关闭情况要复杂得多，但上述水锤波传播和反射的规律仍然适用，下面我们将逐步加以讨论。
压力管道的末端装有水轮机，改变流量的机构为导叶或阀门。
引起水轮机流量变化的原因很多，可归纳为两类。
1、水电站正常运行情况下的负荷变化
电力系统的负荷是随着时间改变的，如水电站担任峰荷或调频，则其负荷和水轮机的流量将时刻处于变化之中，但这类变化一般比较缓慢，由此引起的水锤现象一般不起控制作用。
在水电站正常运行中也可能发生较大的负荷变化，例如，系统中某电站突然事故停机或投人运行，某大型用电设备的启动或停机，等等，都可能要求本电站突然带上或丢弃较大负荷，以适应系统的供电要求。
2、水电站事故引起的负荷变化
引起水电站丢弃全部或部分负荷的事故有：输电线或母线短路，主要设备发生故障（如水轮发电机组轴承过热、调速系统故障等）及有关建筑物发生事故等等。
输电线或母线短路，视主结线形式和短路性质，可能迫使水电站丢弃全部负荷或部分负荷；主要设备故障一般只使发生故障的机组停机。
水电站事故引起的负荷变化一般较大，常是水锤计算的控制情况。
二、研究水锤现象的目的
水锤现象是各类水电站所共有。
研究水锤现象的目的可归纳为以下四种。
(l)计算水电站过水系统的最大内水压强，作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据。
(2）计算过水系统的最小内水压强，作为布置压力管道的路线（防止压力水管内发生真空）和检验尾水管内真空度的依据。
(3）研究水锤现象与机组运行（如机组转速变化和运行的稳定性等）的关系。
(4）研究减小水锤压强的措施。
水锤现象也往往是引起压力管道和机组振动的原因之一。
对于明钢管，应研究水锤引起管道振动的可能性。