水锤

水锤又称水击。

水(或其他液体)输送过程中，由于阀门突然开启或关闭、水泵突然停车、骤然启闭导叶等原因，使流速发生突然变化，同时压强产生大幅度波动的现象。

长距离输水工程应进行必要的水锤分析计算，并对管路系统采取水锤综合防护计算，根据管道纵向布置、管径、设计水量、功能要求，确定空气阀的数量、型式、口径。

1水锤发生的原因与分类
1.1引起水锤过程的原因
(1)启泵、停泵、用启闭阀门或改变水泵转速、叶片角度调节流量时；尤其在迅速操作、使水流速度发生急剧变化的情况。

(2)事故停泵，即运行中的水泵动力突然中断时停泵。

较多见的是配电系统故障、误操作、雷击等情况下的突然停泵。

1.2水锤破坏主要的表现形式
(1)水锤压力过高，引起水泵、阀门和管道破坏；或水锤压力过低，管道因失稳而破坏。

(2)水泵反转速过高或与水泵机组的临界转速相重合，以及突然停止反转过程或电动机再启动，从而引起电动机转子的永久变形，水泵机组的剧烈振动和联结轴的断裂。

(3)水泵倒流量过大，引起管网压力下降，水量减小，影响正常供水。

1.3.水锤的分类与判别
(1)按产生水锤的原因可分为：关（开）阀水锤、启泵水锤和停泵水锤；
(2)按产生水锤时管道水流状态可分为：不出现水柱中断与出现水柱中断两类。

前者水锤压力上升值△H通常不大于水泵额定扬程HR或水泵工作水头H0称正常水锤；后者当水柱再弥合时，水锤压力上升值较高，常大于HR或H0，是引起水锤事故的重要原因，故称非常水锤。

所谓水柱中断，就是在水锤过程中，由于管道某处压力低于水的汽化压力而产生，即：
Pi/γ+Pa/γ≤Ps/γ
(1-1)
式中： Pi/γ—管道中某点的压力（M）；
Pa/γ—大气压力（M）；
Ps/γ—水的饱和蒸汽压力（绝对压力），在常温下取2-3M；
γ—水的容重。

(3)对于关（开）阀水锤，与关（开）阀时间T。

有关可分为：
直接水锤：
Tc＜Tγ（1-2）间接水锤：
Tc＞Tγ (1-3) 式中：Tγ—水锤相（秒），见公式（1-12）。

1.4水锤特征的计算
1.4.1水锤传播速度
α对于均质管道输送清水，且不考虑水中所含空气时按下式计算：
(m/s)
式中：——声音在水中的传播速度α，，一般取1435m/s；
——水的弹性系数，取2.1×108Kg/m2；
ρ——水的密度，取102Kg·s2/m4；
E——管壁材料的弹性系数；
δ——管壁厚度（m）；
D——管道内径（m）；
C
——不同壁厚，不同支承方式的系数。

1
(m/s) (1-4)
(1)薄壁管道＞25：
①管道只在上游端固定时，
=1-
(1-5)
式中：μ——管壁材料的泊松比，对于钢取0.3；对于混凝土取0.15。

②全管道固定并没有轴向运动（如地下埋设管道）
(1-6)
③管道采用膨胀接头连接时，
(1-7)
(2)厚壁弹性管（≤25）
①只在上游端固定时，
=
(1-8)
②全管道固定，并没有轴向运动时，
=
(1-9)
③管道采用膨胀接头连接时，
=
(1-10)
对于钢筋混凝土管：
(m/s)
(1-11)
1.4.2水锤相Tγ
T
γ按下式计算：
（s）
(1-12)
式中：L——管道长度（M）；
α——水锤波速（M/S）。

1.4.3管道惯性时间常数Tω
T
ω（其意义为管道不计水头损失时流速从υ0加速到零的时间）按下式计算：
=（S）
(1-13)
当管道面积及材料性质沿不变时，
==(S)
(1-14)
式中：——管道初始流量（M3/S）；
——管道初始扬程（M）；
——管道初始流速（M/S）；
——管道面积（M2）。

（注脚i代表不同管段和数值）。

1.4.4管路常数2ρ
2ρ按下式计算：
(1-15）
1.4.5机组时间常数
（又称机组加速时间）按下式计算：
(S) (1-16)
式中：——水泵机组的飞轮惯量（kg·m2），一般可以取电动机的的1.1～1.2倍，电动机可由样本上查得或由电动厂提供；
——水泵额定转矩（kg·m）可用下式计算：
= ,其中
——水泵额定轴功率（kw）；
——水泵额定转数（转/分）。

2、水锤计算目的、方法与参数标准
2.1计算目的
计算压力水系统在各种工况时水锤过程的目的在于：
（1）提供最大水锤压力上升值Δ，以便进行泵壳、管道、支墩的强度计算，以及选配管道、阀件。

（2）提供管道沿线主要点，如水泵出口（或出口阀门、逆止阀）、管道中点、管道隆起点的最大降压值Δ，以便复核管道的稳定性。

（3）提供各种停泵不关阀工况的时间特征值，作为选择水泵出口阀门型式、关阀程序的依据，这些特征值是：
——从水泵动力切断到输水管道水体流动方向开始改变的时
间，又称水泵出现零流量时间（S）
——从水泵动力切断到水泵转动方向开始改变的时间，又称水泵
出现零转速时间（S）。

——从水泵动力切断到水泵出现最高反转速时间（S）。

以上特征值的意义及停泵不关阀的水锤过程线是评价水泵装置设计好坏以及提出防护措施的基础。

（4）提供水泵机组在作制动工况、水轮机工况运行时，可能出现的最大倒流量，最大反转速，是否满足设计标准或要求。

2.2非常水锤压力估算
（1)当两水柱再弥合时即出现水柱冲击，其压力升高值按下式估算：
(2-1)
式中：，弥合后水柱的运动速度为。

（2)当水泵出口设有止回阀，并在止回阀后水柱再弥合时，其压力升高按下式估算：
（m/s）
(2-2)
式中：υ——为水柱冲击阀门或止回阀时的速度(m/s)，可按下式估算：
①如果在管道水流开始倒流时止回阀关闭，则（管道初始流
速）（m/s）。

②如果在管道水流倒后止回阀关闭，则υ可按下式估算：
（m/s）
(2-3)
式中：——出水池水面到止回阀门处的几何高度（M）；
——出水池水面到止回阀门处管道正常运行时水头损
失（M）。

③非常水锤对中、低压供水系统危害性特别大，应当注意加以防
止。

2.3水锤参数标准
泵和输水管路发生水锤过程时，水泵及管道的压力H、流速υ和水泵转矩M均随时间t而变化；当水泵启、停时还会发生水泵转速n的变化，甚至旋转方向的改变。

目前我国尚未规定水泵与压力输水管水锤参数的标准，根据水电站设计等有关标准，提出如下数值作为设计参数。

(1)最大的水锤压力上升值用下式计算：
(2-4)
式中：——水泵额定扬程（M）；
——最大水锤压力增值（M）；
（M），其中——最大水锤压力（M）。

应不大于水泵、管道及阀门的试验压力或按表3-1采用。

允许值
水体水温所对应的饱和水蒸气压力(/γ)；使水流不出现水柱中断，当水柱中断是不可避免时，应研究是否采取防护措施。

(3)允许最大的水泵反转速上升高值：
(2-5)
式中：——水泵额定转速（转/分）；
其中：——水泵最大反转速（转/分）。

水泵作反转运行时，即为水轮机工况，应参照水轮机的有关规定，并考虑水泵的临介转速。

水泵的临介转速应由水泵厂提供，一般建议以不大于
0.2为宜。

(4) 对于倒流量的的允许值，应由供水的对象及其重要性来决定。

3 停泵水锤防护措施
由于停泵水锤可能导致泵站和输水系统发生严重事故（如泵房内设备或管道破裂导致泵房淹没，输水管破裂导致沿途房屋渍水），因此有必要根据具体情况采取相应的措施来消除停泵水锤或消减水锤压力。

(1)降低输水管线的流速，可在一定程度上降低水锤压力，但会增大输水管管径，增加工程投资。

(2)输水管线布置时应考虑尽量避免出现驼峰或坡度剧变。

(3)通过模拟，选用转动惯量GD2较大的水泵机组或加装有足够惯性的飞轮，可在一定程度上降低水锤值。

(4)设置水锤消除装置
①调压室：调压室是一个钢制或钢筋混凝土的水箱，压力管道上的调压室有单向与双向调压室两种。

②气压罐：国内使用经验不多，在国外（英国）使用较广泛。

它利用气体体积与压力的特定定律工作。

随着管路中的压力变化气压罐向管道补水或吸收管路中的过高压力，其作用与双向调压塔类似
③水锤消除器：水锤消除器能在无需阻止流体流动的情况下，有效地消除各类流体在传输系统可能产生的水外锤和浪涌发生的不规则水击波震
荡，从而达到消除具有破坏性的冲击波，起到保护之目的。

80 年代以前曾经广为采用。

它安装于止回阀附近，某些水锤消除器无自动复位功能，容易因误操作导致发生水锤。

④缓闭止回阀：有重锤式和蓄能式两种。

这种阀门可以根据需要在一定范围内对阀门关闭时间进行调整。

一般在停电后3～7 s内阀门关闭70%～80%，剩余20%～30%的关闭时间则根据水泵和管路的情况调节，一般在10～30 s范围。

可以利用计算机模拟最佳时间，并现场调试确定。

值得注意的是，当管路中存在驼峰而发生弥合水锤时，缓闭止回阀的作用就十分有限。