停泵水锤的基本理论及计算方法.docx

停泵水锤的基本理论及计算方法一、停泵水锤的基本理论在压力管流中因流速剧烈变化引起水分子动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象。它是流体的一种非稳定流动，在液体运动中所有空间点处的一切运动要素不仅随空间位置而改变，而且随时间而改变。水锤可从多个方面进行分类，根据不同的划分方法分为以下四种：(1)直接水锤和间接水锤；(2)起泵水锤、停泵水锤和关阀水锤；(3)刚性水锤和弹性水锤；(4)无水柱分离产生的水锤和水柱分离产生的水锤。停泵水锤是指水泵机组因突然断电或其他原因而造成开阀突然停车时，在水泵及管路系统中，因流速突然变化而引起一系列急骤的压力夺替升降的水力冲击现象。停泵水锤发生的主要特点是：突然停泵后，水泵由稳态进入水力过渡过程，主动力矩的消失使水泵机组失去了正常运转时的力矩平衡状态，在惯性的作用下继续保持正转，但转速降低。广一水泵机组突然降低的转速导致压力降低和流量减少，所以压力降低先在泵站处产生。此降压波由泵站及管路首端向管路末端的高位水池传播，并在高位水池处产生升压波，此升压波由高位水池向泵站及管路首端传播。压力管路中的水，在停泵后的最初瞬间，主要依靠惯性作用，向高位水池以逐渐减慢的速度继续流动，在重力和阻力的作用下，使其流速降低至零，但这样的状态是不稳定的；管路系统中的水因重力水头的作用又开始向水泵站倒流，且速度逐渐增大，以后的技术特点，由水泵压出口处不同的边界条件来决定。水柱分离产生的水锤现象，是指在管路系统中出现了大空腔，当大空腔溃灭，即两股水柱重新弥合时，大空腔内的水蒸气会迅速凝结，两股水柱互相猛烈碰撞，造成升压很高的断流弥合水锤现象。关于水柱分离产生的原因，有两种论点，分别为：“拉断说”和“汽化说”。“拉断说”认为：当水锤波在管路系统中传播时，水体质点呈现出周期性的疏密变化，水体质点群时而受压，时而受拉，由于水体的承拉能力非常差，当承受不住拉力时，连续水柱就会断裂，并彼此分离开，产生一些大空腔，破坏了水流的连续性，造成水柱分离。“汽化说”认为：当管路上某点的水压降到汽化压以下时，液态水将迅速汽化，并产生大空腔，破坏了水流的连续性，造成水柱分离。将连续水流截成两段的大空腔内均充满水蒸气，空腔中压强保持为小于或等于汽化压，产生的水柱分离现象称为水柱分离（汽）或水柱分离（V);当管路中出现真空，经空气阀将空气吸入管内并形成充满空气的大空腔，产生的水柱分离现象称为水柱分离(空）或水柱分离（A)。水柱分离（汽）产生的前提是密封非常完好的管路，但实际的输水管路并非如此，沿途会设有一定数量的空气阀，因此，在水力过渡过程中，水柱分离（空）产生的可能性并不比水柱分离（汽）小。在相同的技术条件情况下，因水柱分离（空）而形成的充满空气的空气腔的最大长度比传统的以水蒸气为主充填的蒸汽腔的最大长度要大得多。如果在空气腔缩小乃至消失的过程中，即两股水柱重新弥合的过程中，腔内的空气可以自由无阻地从管道中排出，则在该空气腔最后溃灭的瞬间也会产生两股水柱间的猛烈碰撞并使管中水压骤增，这种水力撞击也称断流空腔再弥合水锤，它的危害常比传统的断流弥合水锤（汽）要大得多。二、停泵水锤的计算方法1、数解综合法停泵水锤计算的数解综合法，是二十世纪六十年代后期的新理论和新成果，综合运用数解分析和图解等方面的特点，采用逐步试算列表联立求解的方法，与二十世纪三十年代以前的以阿列维联锁方程为基础的数解分析法有很大的不同。将整个停泵水锤计算过程分成许多微小时间段，再运用试算法进行计算。计算内容主要包括： 突然停泵时管路系统首端处降压波值F的计算； 水泵各基本工作参数（Q、H、N、M)的计算； 在管路系统中如果发生了水柱分离，要进行断流弥合水锤以及注水或注空气等内容的计算； 水锤防护措施降压效果内容的计算； 根据计算结果，绘制出停泵水锤水力过渡过程线。以上几方面的计算基本上是同时进行的（除外），并且互相联系与反复修正。数解综合法物理概念清晰，计算内容全面而灵活，结果准确，缺点是计算工作量很大。2、停泵水锤图解法图解法能直观反映出水锤发展的全过程，如果图幅的选用并配合得当，计算一般并不复杂而且具有一定的精确度，但在管路系统中发生水柱分离现象或者管路情况复杂时，使用会受到限制。3、电算法二十世纪六十年代开始，电子计算机技术快速发展，运用电算法求解水锤问题日益得到重视。电算法的基础是水锤基本微分方程式，通过特征线将其转化为有限差分方程，然后再根据管路系统的边界条件方程和有限差分方程编制电算程序上机进行运算。图1中的A点和B点表示时刻t和地点x已给定的两个点，已知它们的H值和V值。通过A点的C+曲线沿着C+曲线应用;通过B点的(T曲线),沿着C曲线,因此，联立解出的H值和V值，就是交点P的参数Hp和Vp。曲线C+和(T叫做特征线。由于计算过程是沿着C+和T进行的，因此只能得到交点P的参数值。电算法计算效率好、精度高，能处理复杂的管路系统和边界条件，是公认的水锤计算方法。三、停泵水锤的防护措施为了保障输水管线工程的安全，广一水泵厂建议用户一定要采取安全可靠、经济适用的水锤防护措施。可分为以下四类：(1)注空气或注水稳压，通过控制管路系统中的水锤压力振荡，防止断流空腔再弥合水锤造成过高的升压。包括：单向调压池、单向调压塔、注空气阀、空气罐、双向调压塔等。(2)阀门的控制与调节，通过选择合适的阀门类型，延长启闭历时。(3)泄水降压。包括：箱式双向调压塔、防爆膜、停泵水锤消除器、超压泄压阀、取消止回阀、设置旁通管等。(4)其他类型。包括：增装惯性飞轮、选取转动惯量大的水泵机组、在比较长的输水管路系统中增设止回阀等。在选用停泵水锤的防护措施时要注意以下五点：(1)水锤防护措施的选用，必须和停泵水锤的精确分析计算同时进行、互相配合。(2)采取的水锤防护措施，应该适应所处泵站及输水管路系统的作用、规模、安全要求和管理水平；尽量采取经济合理、技术安全可靠、管理维护方便的水锤防护措施。(3)当有可能发生水锤危害时，应该及早防治。在泵站及输水管路系统的设计时，选择输水管路走向；选取广一管道泵和管材；以及确定流速等内容，都应该考