给水管网课件 第10章 有压管道水锤计算与防护

第10章有压管道水锤计算与防护水锤波动现象10.1水锤基本理论

在压力管路中，因流速剧烈变化引起动量转换，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。水锤波传播过程10.1水锤基本理论

当阀门突然瞬时完全关闭(阀门关闭时间为零),有压管中即发生水锤,水锤(即水力过渡)的发生、发展和消失过程以四个阶段为一个周期。水锤波动分析10.1水锤基本理论

在阀门突然关闭后的微小时段dt内，紧靠阀门的微小流段dx中的流速由V0降至0，并在该处引起水锤升压ΔP，其余水流在惯性作用下继续以流速V0向阀门流动，dx段水流被压缩，密度增大，管壁膨胀，紧接着仅靠dx段的另一微小流段也相继停止流动，同时压力升高，密度增大，如此接续向管道进口压力池方向传播。水锤分类按照关阀历时TM与相长2L/a的关系

10.1水锤基本理论按照水锤成因的外部条件按照水锤水力特性按照水锤波动现象直接水锤间接水锤启动水锤停泵水锤关阀水锤刚性水锤理论弹性水锤理论水柱连续水锤断流弥合水锤水锤对给水管网系统的影响10.1水锤基本理论

管网系统运行中发生水锤会危害系统安全运行，严重影响城镇的生产、生活和公共安全，造成水资源的浪费。10.2水锤基本微分方程与计算水锤基本微分方程按弹性水柱理论用运动方程式和连续方程式表示：

牛顿第二定律质量守恒定律10.2水锤基本微分方程与计算连续方程特征线方程：有限差分方程式简化的特征线方程位置-时刻坐标图运动方程

10.2水锤基本微分方程与计算边界条件方程

①边界上的HP或QP是独立于管路系统的控制参数，如管路上、下游为水位恒定的水池时，边界结点的HP是固定常数，相容性方程可用来求解QP

。

②边界上的HP和QP之间存在着一定的函数关系，如边界上有正常运转的水泵时，泵的性能曲线规定了HP＝F(QP)，它与相容性方程联立可解出边界上的HP和QP值。

③边界上的HP和QP值还与其他的边界参数有关，如发生事故停电时的泵。这时，泵的性能曲线HP＝F(QP)就与泵的瞬时转速有关系，由于增加了瞬时泵转速这个新变量，就需要再多增加一个边界条件方程。10.2水锤基本微分方程与计算

根据水锤有限差分方程和边界条件方程，即可进行管路暂态过程的数值计算，按小步段小时段逐步地在数值上求解暂态流动参数。

计算机源程序的编制次序为:常数计算→初始条件计算→内结点计算→边界结点计算→给出下一时段的初始条件→进行下一时段内结点和边界结点的计算。10.2水锤基本微分方程与计算

【例题10-1】

已知:管路长

L=600m，管径D=0.5m，摩阻系数f=0.018，波速a＝1200m/s。管路下游出口端基准标高为0，上游水池恒定水位H0

=150m，阀门装在管路下游出口端，全开时的过流面积乘以流量系数C0

＝0.009,部分开启时的流量系数乘以过流面积C＝C0τ，τ为阀门的相对开启度，τ＝(1-t

/TM)1.5，关阀总历时TM=2.1s。求解管内水锤波的暂态。（1）符号和计算常数:拟定源程序中有关参数的符号，令暂态前恒定工况的参数为Q0和H0，暂态过程中每一计算时段的初时参数为Q和H，末时参数为QP和HP，阀门开度τ用符号TU表示。解:设定管路段数N=4，阀门端结点序号NS

=

5，每次计算推进的时段设定每计算J=3个时段，输出成果一次，规定计算总暂态历时TZ

=8s。简单管路关阀水锤暂态计算10.2水锤基本微分方程与计算（2）需事先拟定的计算公式:暂态开始前的稳态工况(恒定流)水力计算公式为:计算常数：简单管路关阀水锤暂态计算10.2水锤基本微分方程与计算（3）进行上机计算，得到电算结果:简单管路关阀水锤暂态计算

运算结果表明：阀端最高暂态水头为284.7ｍ，发生于t

=1.125s，最低暂态水头为93.0m，发生于t

=2.625s，由于系统阻力较小，所以水锤波压力振荡的衰减相当缓慢。10.3水锤防护技术常用防护设备水泵控制阀双向调压塔复合排气阀减压恒压阀超压泄压阀空气罐单向调压塔电动调流调压阀普通排气阀液控蝶阀缓闭止回阀管力阀压力波动预止阀10.3水锤防护技术箱式双向调压塔10.3水锤防护技术

由于水锤的水力撞击具有突发性、反复性以及无法预知等特点，而且破坏性极强。因此,在设计和修建管网系统的过程中必须考虑到水锤的防护未采取水锤防护措施时的非稳态压力包络线采取有效的水锤防护措施后的压力包络线10.3常用水锤防护技术

能够与水泵启闭动作联动，在主阀板上下形成压力差，推动膜片压板，使阀门自动适应水泵工况的要求。多功能水泵控制阀1-阀体；2-主阀板座；3-进水调节阀；4-主阀板；5-过滤器；6-缓闭阀板；7-微止回；8-阀杆；9-膜片座；10-衬套；11-膜片；12-膜片压板；13-阀盖；14-控制管；15-出水调节阀10.3常用水锤防护技术

按预先调定好的程序分两阶段关阀，第一阶段先快速关闭一定角度（一般为60°~70°），关闭行程的大部分，虽然关阀过程产生了管道升压，但由于蝶阀在大开度范围内，其开度系数的变化率很小，升压并不明显。第二阶段以非常缓慢的速度关闭剩余的行程，慢关阶段，由于压力的升高与流速的变化成正比，慢关过程导致流速变化的增量减小，可把出水管道的压力升高限制在允许的范围之内。两阶段缓闭式液控蝶阀10.3常用水锤防护技术

当发生水锤管内压力升高时，原压缩的空气被再度压缩，起到气垫消能作用；而当管内由于突然停泵，压力陡降，甚至可能发生水柱分离时，又可利用压缩空气的膨胀，向管中注水，因而有效地消减了停泵水锤的危害。

空气罐通常适用于设备流量较小、扬程较高、控制压力范围较广的情况。空气罐10.3常用水锤防护技术

当管路中的压力超过高压设定先导阀的设定值时，进口高压水从控制管进入高压设定先导阀膜片下腔内，使其压力增高，推动高压设定先导阀阀杆上移，高压设定先导阀阀板打开，主阀控制室上腔的水从高压设定先导阀和控制管排泄，在进口高压水的作用下，顶开主阀板排水泄压，通过泄压进行压力管道水锤防护。超压泄压阀10.3常用水锤防护技术

当管道出现负压时，可向管中单向注水，防止水柱中断引起的断流弥合水锤升压；当管内水压恢复至设定值时，注水管上的单向阀阻止了主管道中的水回流入单向调压塔。

单向调压塔的设置需经过计算机的动态模拟，经过方案的对比后确定其安装位置，一般设置于输水管线上易产生负压发生水柱分离的管路特殊部分，如管路的峰点、膝部、驼峰以及鱼背处等。单向调压塔1-水箱；2-主干管；3-止回阀；4-浮球；5-进水管；6-闸阀；7-溢流管；8-注水管；9-满水管止回阀；10-水位计；11-转空管10.3常用水锤防护技术

双向调压塔构造简单，为一开口的水池（大水柱），一般装设于输水干管上易于发生水柱分离的高点或折点处。当发生突然事故停泵时，它能向管路补水防止水柱分离，可有效地消减断流弥合水锤升压；当管路中水锤压力升高时，高压水流进入调压塔中，从而起到缓冲水锤升压的作用。双向调压塔1-水泵；2-双向调压塔；3-高位水池10.3常用水锤防护技术

当管道压力升高至大于正常运行最大设计水压，活塞迅速上移，打开泄水口，使管道超高压力得以释放，从而实现超压放水泄压功能，保护管道安全；当管道因突然停泵或开阀等水锤原因使管道压力降至低于箱内水深或出现负压时，箱内水则向管道内流动，预防或消除管道断流现象，消减断流弥合水锤。

箱式双向调压塔箱式双向调压塔高压泄水

、低压注水状态结构图10.3常用水锤防护技术

塔高仅4～7m，可安装于阀门井内，工程应用方便。箱式双向调压塔DN1200，1.0MPa箱式双向调压塔外形尺寸图正面侧面背面DN1200，1.6MPa调压塔室参考图10.3常用水锤防护技术箱式双向调压塔10.3常用水锤防护技术

对冲消能组合器的消能方式是在减压恒压阀先将水压力降低以后，水进入对冲消能器，其大部分能量被消除，从而使出水管末端的多余能量消除，减少由于出水剩余能量过大而引起的水池冲涮及水面波动带来的危害，保护池（塔）内构筑物或溢水流道等安全，延长使用寿命。喷孔对冲式高比例减压