第九章 水击及调节保证
?一、概述
?水电站水力 — 机械过渡过程特点
?机组稳定运行时，水轮机出力与负荷平衡，机组转速
不变，水电站有压输水系统（压力隧洞、压力管道、
蜗壳及尾水管）中水流处于恒定流状态。
?机组实际运行时，电力系统负荷常发生较大范围的变
化,水轮机出力与负荷失去平衡，转速发生变化,而
电网频率要求基本保持恒定，则可通过调速器改变水
轮机流量，使水轮机出力适应负荷变化，来满足电网
频率恒定要求。
?在历时很短的调节过程
中，机组转速与有压输
水系统中的内水压强会
引起急剧变化。减小或
增加负荷时，转速增大
或减小；调节使得流量
减小或增大，引起有压
输水系统中的内水压强
上升或下降，产生水击。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?而供电质量、机组与
有压输水系统的强度
以及机组稳定性对整
个调节过程中的机组
转速变化及有压输水
系统中的压强变化提
出了要求，不允许超
过规定值。与之对应
进行的水击和机组转
速变化的计算，称为
调节保证计算 。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?调节保证计算的任务
?计算有压输水系统中最大和最小内水压强。最大
内水压强作为设计或校核管道、蜗壳和机组强度
的依据；最小内水压强作为布置压力水管、防止
管道内产生真空和检验尾水管内真空度的依据。
?计算丢弃和增加负荷时的转速变化值，并检验其
是否在允许范围内。
?选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证内
水压强和机组转速变化在规定范围内。
?研究减小水击及机组转速变化的措施。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?二、水击现象及水击传播速度
?水击现象
?流速（流量）的突然变化，导致水流动量发生变
化，根据冲量定理将产生对水流的冲量，导致内
水压强急剧升高或降低。把该非恒定流现象称为
水击（水锤）。
?水击所产生的压强升高（正水击）或降低（负水
击），都会对水电站运行带来不利影响。若发生
正水击，可能导致压力水管的爆裂；尾水管中压
降过大，会造成水轮机和尾水管的严重汽蚀，使
水轮机运转时产生巨大振动。压强的上下波动，
会影响机组的稳定运行。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?水击特性
?为揭示水击物理本质和说明水击过程，不
妨以 简单管 （管壁材料、管壁厚度及管径
沿管长不变）中的水击现象为例。该简单
管上游端连接水库（可认为水位基本不
变），下游端连接阀门。不计摩阻损失，
并设简单管为弹性体，管中水体可压缩。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?水击过程（图 9-1与表 9-1）
?第一过程（ 0～ L/a）, t=0时刻阀门突然关闭的 dt1时
段内，紧靠阀门处管段 dX1首先发生变化，流速由 v0
变为 0，压强上升，由 H0增至 H0+ΔH，水体压缩，密
度增加，管子膨胀，腾出空间容纳该管段以上管段仍
以 V0流速流来的水体，一直延续到 dt1时段末。同理，
经过各时间段在各管段将发生同样的变化，压强增加
如同“波”一样向上游传播，为水击波，传播速度为
水击波速，增加的压强为 水击压强 。 该过程发生的
为升压波，动能转化为弹性能，水流流速方
向从水库至阀门 。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?第二过程（ L/a～ 2L/a）, t=L/a时刻水击波传至 D点，
其左边为水库，压强保持不变，其右边管道内水压强比
水库高 ΔH,管中水体流向水库。在随后的 dt1时段内，
首先紧靠水库的管段发生变化，流速由 0变为 -v0，压强
下降，由 H0+ΔH 降至 H0，水体密度减小，管径减小，
补给了流向水库的水体，一直延续到该时段末。同理，
经过各时间段在各管段将发生同样的变化，压强降低如
同, 波, 一样向下游传播，该过程发生的为 降压波,弹
性能转化为动能。直到 t=2L/a时刻，整个管道流速、压
强、密度、管径恢复到初始数值，但流速方向反向。
水击波在水库处发生反射，入射波与反射波数
值相同，符号相反，升压波反射为降压波，水
流从阀门流向水库。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?第三过程（ 2L/a～ 3L/a）, t=2L/a时刻水击
波传至阀门处，阀门关闭，流速由 -v0变为 0，
压强下降，由 H0 降至 H0-ΔH,水体密度减小，
管径减小。这样的过程经过各时间段在各管
段将发生同样的变化，降压波向上游传播，
直到 t=3L/a时刻，整个管道流速为 0、压强为
H0-ΔH,密度及管径缩小。水击波在全关阀
门处的反射特点是,同号等值反射，降压波
反射为降压波,水流从阀门流向水库 。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?第四过程（ 3L/a～ 4L/a）, t=3L/a时刻水击波
传至 D点，全管压力比水库水位低 ΔH,水库水
体流向管中。在随后的 dt1时段内，首先紧靠水
库的管段发生变化，流速由 0变为 v0，压强升高，
由 H0-ΔH 升至 H0，水体密度增大，管径增大。
同理，经过各时间段在各管段将发生同样的变
化，升压波向下游传播。直到 t=4L/a时刻，整
个管道流速、压强、密度、管径恢复到初始状
态。该过程在水库处将 降压波反射为升压波，
变号等值反射,水流从水库流向阀门 。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?水击波在管道中传播一个来回的时间 tr=2L/a称为
“相”，两个相为一个周期 T。
?若阀门突然开启，则发生的情况与上述过程相反。
?实际上水力摩阻损失总是存在的，水体与管壁也非完全
的弹性体，故水击波在管中的传播与反射非持续振荡，
而是迅速衰减趋于消失。
?物理本质,当关闭阀门改变水流状态时，管
内压强变化并以波的形式传播的 外因 是由于
流量变化；而 内因 是由于水流的惯性、水的
可压缩性和管壁的弹性。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?简单管水击波传播速度
?由于水体具有压缩性以及管壁为弹性体，
水击在全管不可能同时产生，而是以波的
形式在管中传播。水的压缩性小、管壁弹
性变形也小，水击波速相当大。轴向可移
动均质圆形薄壁水管水击波速计算公式为
式（ 9-2）。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
E
DK
a
?
?
?
1
1 4 3 5
? 三、简单管水击基本方程和初始、边界条件
? 简单管水击基本方程
?简单管中非恒定流的连续方程与运动方程组成水击基本方
程。
?当不计水力摩阻条件下的水击基本方程。
?通过变换，可得水击共轭方程，即儒可夫斯基基本方程。
? 初始条件
? 边界条件
?水库或压力前池
?分岔管
?封闭端
?调压室
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?水轮机
?冲击式：流量与针阀开度、水头有关。
?反击式：流量与水头、导叶开度以及转
速有关。
?水轮机导叶与针阀的关闭规律 如图 9-4。
?从全开到全关全部历时 Ts，为简化计算，对
曲线直线段适当延长得到 净 调 速 时 间
Ts’ =k Ts，其中 k值为美国伍德华德调速器
公司德建议值，当 Ts≤10s 时，用 经 验 公
式 （ 9-22） 计算。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
LET‘S HAVE A BREAK ！
课间休息
思考题
? 1、什么叫调节保证计算?其任务是什么?
? 2、什么是水击?水击现象是如何发生的?
? 3、简单管水击基本方程及其初始条件与边界
条件是什么？
? 4、若阀门处和进口处某时刻的压力和流速为
已知，试求压力管道中间某处 t时刻的压力和
流速，若压力管道中间某处 t时刻的压力和流
速为已知，试分别写出阀门处和进口处下一
时刻的压力和流速的方程式。
?一、概述
?水电站水力 — 机械过渡过程特点
?机组稳定运行时，水轮机出力与负荷平衡，机组转速
不变，水电站有压输水系统（压力隧洞、压力管道、
蜗壳及尾水管）中水流处于恒定流状态。
?机组实际运行时，电力系统负荷常发生较大范围的变
化,水轮机出力与负荷失去平衡，转速发生变化,而
电网频率要求基本保持恒定，则可通过调速器改变水
轮机流量，使水轮机出力适应负荷变化，来满足电网
频率恒定要求。
?在历时很短的调节过程
中，机组转速与有压输
水系统中的内水压强会
引起急剧变化。减小或
增加负荷时，转速增大
或减小；调节使得流量
减小或增大，引起有压
输水系统中的内水压强
上升或下降，产生水击。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?而供电质量、机组与
有压输水系统的强度
以及机组稳定性对整
个调节过程中的机组
转速变化及有压输水
系统中的压强变化提
出了要求，不允许超
过规定值。与之对应
进行的水击和机组转
速变化的计算，称为
调节保证计算 。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?调节保证计算的任务
?计算有压输水系统中最大和最小内水压强。最大
内水压强作为设计或校核管道、蜗壳和机组强度
的依据；最小内水压强作为布置压力水管、防止
管道内产生真空和检验尾水管内真空度的依据。
?计算丢弃和增加负荷时的转速变化值，并检验其
是否在允许范围内。
?选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证内
水压强和机组转速变化在规定范围内。
?研究减小水击及机组转速变化的措施。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?二、水击现象及水击传播速度
?水击现象
?流速（流量）的突然变化，导致水流动量发生变
化，根据冲量定理将产生对水流的冲量，导致内
水压强急剧升高或降低。把该非恒定流现象称为
水击（水锤）。
?水击所产生的压强升高（正水击）或降低（负水
击），都会对水电站运行带来不利影响。若发生
正水击，可能导致压力水管的爆裂；尾水管中压
降过大，会造成水轮机和尾水管的严重汽蚀，使
水轮机运转时产生巨大振动。压强的上下波动，
会影响机组的稳定运行。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?水击特性
?为揭示水击物理本质和说明水击过程，不
妨以 简单管 （管壁材料、管壁厚度及管径
沿管长不变）中的水击现象为例。该简单
管上游端连接水库（可认为水位基本不
变），下游端连接阀门。不计摩阻损失，
并设简单管为弹性体，管中水体可压缩。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?水击过程（图 9-1与表 9-1）
?第一过程（ 0～ L/a）, t=0时刻阀门突然关闭的 dt1时
段内，紧靠阀门处管段 dX1首先发生变化，流速由 v0
变为 0，压强上升，由 H0增至 H0+ΔH，水体压缩，密
度增加，管子膨胀，腾出空间容纳该管段以上管段仍
以 V0流速流来的水体，一直延续到 dt1时段末。同理，
经过各时间段在各管段将发生同样的变化，压强增加
如同“波”一样向上游传播，为水击波，传播速度为
水击波速，增加的压强为 水击压强 。 该过程发生的
为升压波，动能转化为弹性能，水流流速方
向从水库至阀门 。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?第二过程（ L/a～ 2L/a）, t=L/a时刻水击波传至 D点，
其左边为水库，压强保持不变，其右边管道内水压强比
水库高 ΔH,管中水体流向水库。在随后的 dt1时段内，
首先紧靠水库的管段发生变化，流速由 0变为 -v0，压强
下降，由 H0+ΔH 降至 H0，水体密度减小，管径减小，
补给了流向水库的水体，一直延续到该时段末。同理，
经过各时间段在各管段将发生同样的变化，压强降低如
同, 波, 一样向下游传播，该过程发生的为 降压波,弹
性能转化为动能。直到 t=2L/a时刻，整个管道流速、压
强、密度、管径恢复到初始数值，但流速方向反向。
水击波在水库处发生反射，入射波与反射波数
值相同，符号相反，升压波反射为降压波，水
流从阀门流向水库。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?第三过程（ 2L/a～ 3L/a）, t=2L/a时刻水击
波传至阀门处，阀门关闭，流速由 -v0变为 0，
压强下降，由 H0 降至 H0-ΔH,水体密度减小，
管径减小。这样的过程经过各时间段在各管
段将发生同样的变化，降压波向上游传播，
直到 t=3L/a时刻，整个管道流速为 0、压强为
H0-ΔH,密度及管径缩小。水击波在全关阀
门处的反射特点是,同号等值反射，降压波
反射为降压波,水流从阀门流向水库 。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?第四过程（ 3L/a～ 4L/a）, t=3L/a时刻水击波
传至 D点，全管压力比水库水位低 ΔH,水库水
体流向管中。在随后的 dt1时段内，首先紧靠水
库的管段发生变化，流速由 0变为 v0，压强升高，
由 H0-ΔH 升至 H0，水体密度增大，管径增大。
同理，经过各时间段在各管段将发生同样的变
化，升压波向下游传播。直到 t=4L/a时刻，整
个管道流速、压强、密度、管径恢复到初始状
态。该过程在水库处将 降压波反射为升压波，
变号等值反射,水流从水库流向阀门 。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?水击波在管道中传播一个来回的时间 tr=2L/a称为
“相”，两个相为一个周期 T。
?若阀门突然开启，则发生的情况与上述过程相反。
?实际上水力摩阻损失总是存在的，水体与管壁也非完全
的弹性体，故水击波在管中的传播与反射非持续振荡，
而是迅速衰减趋于消失。
?物理本质,当关闭阀门改变水流状态时，管
内压强变化并以波的形式传播的 外因 是由于
流量变化；而 内因 是由于水流的惯性、水的
可压缩性和管壁的弹性。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?简单管水击波传播速度
?由于水体具有压缩性以及管壁为弹性体，
水击在全管不可能同时产生，而是以波的
形式在管中传播。水的压缩性小、管壁弹
性变形也小，水击波速相当大。轴向可移
动均质圆形薄壁水管水击波速计算公式为
式（ 9-2）。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
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? 三、简单管水击基本方程和初始、边界条件
? 简单管水击基本方程
?简单管中非恒定流的连续方程与运动方程组成水击基本方
程。
?当不计水力摩阻条件下的水击基本方程。
?通过变换，可得水击共轭方程，即儒可夫斯基基本方程。
? 初始条件
? 边界条件
?水库或压力前池
?分岔管
?封闭端
?调压室
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
?水轮机
?冲击式：流量与针阀开度、水头有关。
?反击式：流量与水头、导叶开度以及转
速有关。
?水轮机导叶与针阀的关闭规律 如图 9-4。
?从全开到全关全部历时 Ts，为简化计算，对
曲线直线段适当延长得到 净 调 速 时 间
Ts’ =k Ts，其中 k值为美国伍德华德调速器
公司德建议值，当 Ts≤10s 时，用 经 验 公
式 （ 9-22） 计算。
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
LET‘S HAVE A BREAK ！
课间休息
思考题
? 1、什么叫调节保证计算?其任务是什么?
? 2、什么是水击?水击现象是如何发生的?
? 3、简单管水击基本方程及其初始条件与边界
条件是什么？
? 4、若阀门处和进口处某时刻的压力和流速为
已知，试求压力管道中间某处 t时刻的压力和
流速，若压力管道中间某处 t时刻的压力和流
速为已知，试分别写出阀门处和进口处下一
时刻的压力和流速的方程式。
