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接下来介绍改善流体机械

暂态运行性能的工程措施

虽然管路系统在设计时

可采用较大的安全裕度

使管道能够承受

各种危险运行工况下

可能出现的最大 最小压力

但从工程方案的

经济性方面考虑

通常采用多种平压措施

和运行控制方法

来减小或消除过大的

压力升高或降低

避免发生液柱分离

机组过速等情况

一般来讲

机组启动过程水锤不大

只是在空管情况下

当管内空气不能及时排出

而被压缩时才会加剧

水流压力的变化

机组停机 阀门关闭水锤

在正常操作时

不会引起过大的水锤压力

而由于突然停电

或误操作造成的事故停机

产生的水锤往往数值较大

一般可达正常压力的

1.5~4倍或更大 破坏性强

需要对此种水锤进行分析

采取必要的防护措施

目前常用的水锤防护措施

主要有以下几种

1）补水（或补气）稳压

属于这种类型的主要有

调压室 空气阀等

主要减小水柱分离及其

再弥合现象发生的可能性

2）阀门防护

主要是止回阀

缓闭式蝶阀等

3）泄水降压型

属于这种类型的主要有

泄压阀 旁通管等

4）增大机组惯性

防止机组转速下降过快

下面我们主要介绍几种

重要的水锤防护设备或措施

我们首先介绍一种

管路中经常出现的水锤现象

液柱分离以及水柱再弥合

在低水头 高管线

迅速瞬变的各个系统中

瞬变压力可能降低到汽化压力

在流动中产生蒸汽空穴

空穴可能变得越来越大

以至于充满管道整个断面

这就是所谓的液柱分离

分离液柱的弥合

或空穴溃灭将会引起

压力的显著上升严重时

会导致管路系被破坏

空穴在液体中的形成

和发展取决于管道的

几何形状和流速梯度

液柱分离往往出现在

垂直的 坡度陡的

垂直的 坡度陡的

或有弯头的管道中

当边界条件为

管系的上游减压时

液柱分离现象

可能在管系中发生

例如水泵断电

或快速关闭阀门

都将会引起管道瞬变压力

降至汽化压力

产生空化或液柱分离

当下游一侧减压时

也可能发生液柱分离

例如快速开启

管道末端的阀门

水泵断电后

水泵处产生的

负压波向下游传播

如果水泵扬程较低

且转动惯量小

管道中的压力可能降低到

液体汽化压力以下

对于高扬程抽水系统来说

管道中局部高处的压力

也可能降低到

液体汽化压力以下

因此对于管道中的

局部高点需安装

防护措施防止负压的产生

我们先介绍调压室

调压室又称为调压池

调压塔 调压水箱等

是一个具有自由水面的水槽

通过室中的水流入管道

或管道中水流进调压室

来缓和管道中的压力变化

调压塔一般装设在管路中

可能产生负压的部分

并尽可能靠近水泵侧

但是如果管道的

压力水头很高时

调压塔的高度也相应增高

从而增加工程造价

调压塔一般用于大流量

低扬程的长管道系统

调压室有双向和单向两种

单向调压室在与

主管道相连的短管上

装设有逆止阀

在补水管道的水箱端

装设有控制水位的浮球阀

在单向调压室中

只有管道中水压降到

调压室水位以下时

水才从调压室流入管道

由于过渡过程中

单向调压室

只允许水流入管道

因此水箱高度

可以大大降低

调压室有以下

几种基本结构 如图所示

1）简单式调压室为

垂直的或倾斜的

横断面不变的竖井。

2）阻抗式调压室是在

圆筒式调压室的基础上

发展而成的

将圆筒形室身的底部

用较小断面的短管

(或用较小孔口的隔板)

与隧洞和压力钢管连接起来

就形成了阻抗式调压室

正常运行即水流

经调压室底部时

进 出调压室的水流

在阻尼孔口处

消耗一部分能量

以使波动的幅值减小

3）双室式调压室是由

上室 下室和一个断面

较小的竖井组成

上室通常采用溢流式

当水电站机组

甩负荷时上室充满水

当机组增荷时

下室中的水放空

在正常运行时

调压室中

自由水面位于竖井中

所以竖井应满足

波动稳定的要求

这种形式的调压室

适用于水头较高

水库有一定的深度的水电站

这时调压室的

稳定断面较小

4）差动式调压室有两个圆筒

内圆筒和外圆筒

内圆筒称为升管

外圆筒称为外室

升管上部为溢流堰

下部设有阻尼孔口

与外室相通

而底部与有压引水隧洞连接

在甩负荷时

升管水位迅速上升

在升管充水期间

外室只是通过阻尼孔口充水

当升管开始溢流后

引水隧洞的流量分别由

阻尼孔口和溢流堰流入外室

增加负荷时

升管中的水位迅速下降

外室中的水体通过阻尼孔口

和溢流堰逐渐供给给管路

这种调压室的缺点是结构复杂

5）气垫式或半气垫式调压室

特别适用于隧洞覆盖层厚

岩石条件好的水电站

气垫式调压室内

自由水面上的密闭空间中

充满高压空气

在过渡过程期间

这种气垫式调压室中的

空气压缩或膨胀

为此来减小水位涨落的幅度

在电站中按位置

调压室可分为布置在

引水隧洞上的上游调压室

和布置在有压尾水隧洞上的

下游调压室

上游调压室位置的选取

取决于压力水管路线上的

地形条件 地质条件

和水电站的布置形式

最好将上游调压室

靠近水电站厂房布置

这样可以保护大部分的

引水隧洞免受水击

但也会增加调压室的高度

经济上不一定合理

最合理的位置通常是将

调压室布置在压力水管路线

纵断面转折处

在有压尾水隧洞中

为了避免水轮机停机时

连续水流的间断

甚至在尾水隧洞

比较短的情况下

设置下游调压室也是必要的

当机组突然甩负荷

随之产生水锤压力时

冲入调压室的水流

就形成一个阻滞水头

并抑制了水位的波动

调压室蓄存过剩的水量

直到把管道本身的流量

调整下降到允许负荷为止

当负荷突然增加时

调压室迅速供给

把管道本身的流量

调整到负荷允许状态

空气阀是一种用于

防止停泵水锤过程中

产生负压的特殊阀门

它通常装设在管线凸起部分

防止水压降低产生局部汽化

当管道内压力

低于大气压时吸入空气

而当管道内压力上升

高于大气压时排出空气

这种阀不允许液体泄入大气

在排出管道中的空气时

具有自动关闭的功能

空气阀在泵站管道中的

主要作用

（1）水泵起动

管道充水的过程中排气

管线运行阶段

及时排出水中

释放的微量空气

防止形成气囊阻碍水流

（2）管道中产生负压时

吸入空气

当管道出现负压时

大量补气

防止管道负压破管

（3）防止断流弥合水锤

一般排气阀安装位置

管道局部高点及膝点

水泵出口处

管道每隔500m至800m处

空气阀按照作用方式

可以分为 低压进排气阀

高压微量排气阀

低压进排气阀的特点是

1）在管道低压状态下工作

尤其在空管充水

管道泄水需要进气

以及管道出现负压时

2）由于排气量较大

口径都较大

3）在正常的有压供水

过程当中 排气量很小

高压微量排气阀

排气孔很小

主要保证有压管道内

析出空气的不断排放

它的特点是 工作时间长

口径小（一般为DN15~DN20）

由于口径小

在较大的管径系统当中

对进气的贡献不大

因此其进气功能往往被忽略

一般不提进排气

而只称为排气阀

复合式排空气阀

既有低压进排气部分

也有高压微量排气部分

同时具有两种功能

但是此时空气阀的口径

则由低压进排气阀决定

与高压微量排气部分无关

右图给出了大口径的

复合式排气阀

其特点是流线型流道设计

排气量大 能快速排除管道空气

对于发生水柱分离的管段

一旦出现水柱分离现象

局部点处的空气阀

就会大量补气

以避免负压的产生

但是随之而来“水柱弥合”

会使该点的压力值剧增

普通空气阀可以避免

管道内部产生真空

但是不能阻止水柱的拉断

也不能阻止

之后出现的水柱弥合

当水柱弥合产生时

普通空气阀会迅速排气

空气阀排气速度越快

其所引发的水锤也越大

因此需要设置

防弥合水锤空气阀

防弥合水锤空气阀的特点是

阀口处设置一个缓冲盘片

当气流高速排放时

该盘片会将主排气孔堵住

管道内的空气将通过

较小的排气孔排出

当“水柱弥合”时

由于排气受到限制

使得水柱弥合时间延长

相应的压力升高也减缓

泄压阀根据系统的

工作压力大小能自动启闭

一般安装于封闭系统的

设备或管路上保护系统安全

当设备或管道内压力

超过泄压阀设定压力时

即自动开启泄压

保证设备和管道内

介质压力在设定压力之下

保护设备和管道

防止发生意外

1 泄压阀常安装在

水泵出水总管起始端

当为重力流输水系统时

则安装在管路末端阀门上游

实际工程中也常根据

具体的水锤分析计算

在管道系统适当位置

设置一定数量的超压泄压阀

2 直径常按主管道

直径的 1/5-1/4 选取

图中给出了泄压阀工作过程

当管道中介质压力

超过规定压力值时

先导阀先开启

介质沿着导管

进入主泄压阀

并将主泄压阀打开

使增高的介质压力降低

当管道压力下降时

阀门开始关闭

当阀门处压力下降到

设定的限度以下时

阀门完全关闭

最后一张图给出了

阀门开启和关闭过程

存在的滞后性

止回阀又称逆止阀

其作用是防止

管路中的介质倒流

止回阀属于一种自动阀门

其主要作用

是防止介质倒流

避免泵及驱动电动机反转

如图中所示为

静音式止回阀 开泵瞬间

在流体作用下阀板打开

停泵后 流体反方向流动时

在介质倒流之前

在弹簧的作用下

关闭阀板 从而切断水流

工程上使用该阀后

往往在出现介质倒流时

因快速有效阻止了水流到灌

系统中出现的振动噪音很小

被认为有很好的静音效果

下面介绍几种其他阀门

安全阀是一种弹簧阀门

或者重力加载阀门

当设备或管道内的

介质压力升高

超过规定值时打开

当压力下降到

规定的限度时迅速关闭

安全阀的开度

一般情况只能是

全开或者全关

调压阀是由控制器

控制的节流阀

通过接力器

控制阀门开和关

开启和关闭时间

可以单独设置

调压阀安装在管道系统中

紧接水泵的下游侧

或者电站厂房中

水轮机的上游

水泵断电后

阀门迅速开启后

再逐渐关闭

以减小管道中的压力升高

液控缓闭蝶阀

一般安装在泵后

1）在水泵启动时

能够先慢后快的自行开启

2）在事故突然停泵时

能够自动的

先快关至某一角度

余下的角度

则以相当慢的速度关完

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

可以利用计算机

模拟最佳时间

并现场调试确定

旁通管一般安装在

水泵的前后

在泵系统正常运行时

由于水泵压水侧水压

高于吸水侧的水压

止回阀关闭

当事故断电突然停泵后

水泵站出口处压力急剧降低

而吸水侧压力则猛升

在此差压下

吸水总管中的瞬态高压水

即推开止回阀阀板

流向压水总管的

瞬态低压水处

并使该处低水压

压力有所升高

另一方面

使水泵吸水侧的

水锤升压也得到降低

从而 水泵站两侧的

水锤升 降压都得到控制

旁通管的管径越大

对防水锤越有利

可根据规定的压力界限

确定其管径

机组转速在事故断电后

迅速下降

而机组转速变化的快慢

取决于其转动惯量的大小

转动惯量越大

机组转速变化越慢

对于流量较大

且按照自流形式

布置的泵站系统

事故断电后并不会

产生很大的正压水锤

但由于水流流速大

容易在泵后产生较大负压

尤其是备用泵后的管道盲端

这种情况下布置空气阀

并不能明显的降低负压

更有效的方式

则是加大机组的转动惯量

机组转子转动惯量J越大

则角减速度的绝对值越小

转速下降越慢

从而延长了水泵机组的

转速变化时间

使水泵机组依靠惯性

继续以缓慢降低的速率

向管路中充水

从而有效地避免了

管路中流速和水压的

急剧降低

改善了水力过渡过程中

压力的猛烈波动

并在一定的距离范围内

减少了水柱分离的危险

提高转动惯量

可以有效保护

水力机械及水力系统

只是机组成本会明显提高

反应速度也会降低

本讲的内容比较繁杂

请同学们课后自行寻找

相关的参考书进行学习

今天的讲课就到这

感谢大家