水锤原理介绍

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水锤原理介绍

在压力水管道中由于某种原因使某一区域的水流速度突然在瞬时发生了变化，这种扰动产生了一种称为水锤波的压缩波，其传播方向是先向上游传播并被反射回原发地，如此往复，传播速度能达到1000m/s。根据波的特性，水锤波到达之处，局部流体的速度会发生突变，然后反复波动。根据柏努力方程和动量定理，局部流体速度的这种变化会使该处管内压力发生突升、突降的反复变化。与这种往复传播的水锤波相适应，管道也一胀一缩地发生振动，并发出锤击的声音，形成所谓的水锤。水锤发生时，管壁材料及管道上的设备及附件承受很大的压力而可能产生严重的变形以致破坏。同时，高频交变压力作用在管壁上，加之强烈的振动和流体的冲击，使金属表面打击出许多麻点。所以水锤不仅增加流体的流动阻力，而且也严重危及到管道系统及有关设备的安全运行。特别是大流量、高流速的长管中以及输送水温高、流量大的水泵中更为严重。计算和实验表明，局部流体压力变化的大小只与流体速度的变化幅度有关，所以减小引发水锤的流体扰动是消除或减小水锤强度的根本措施。 在火力电厂中，引发水锤的管道扰动主要有：①阀门正常的快速开启和关闭；②阀门正常的快速调节；③阀门的事故开或关；④阀芯的损坏脱落；⑤泵的正常或事故启停；⑥泵的汽蚀或其叶轮、叶片不稳而发生的振动；⑦管道的事故泄漏；⑧机组负荷的快速调节。 针对这些原因，在操作中主要采取了以下措施防止水锤发生或减小水锤强度：

① 调整阀门启闭时间，在阀门关闭位置附近，延缓阀门的动作速度。如在循环水泵启

停时采取这种措施。

② 管道注水，防止管道内空气因压力突变导致体积突变，引起扰动，引发水锤。如凝

结水、循环水系统启动时采取这种措施。

③ 采用稳压装置，吸收水锤冲击。如锅炉燃油系统的蓄能器，可部分吸收燃油快关阀

启闭引发的压力波动，从而减小水锤强度。 水锤的简要理论分析如下，以供参考：

① 水击压力ph的确定

压力为p、速度为c的管道中某阀门突然关闭后，发生了水击，靠近阀门处的水受到阀门关闭的作用力，压力骤然升高到p+ph，水受到这个突然升高的压力作用体积压缩，同时管壁膨胀，腾出极少的空间，使靠近N－N断面的水以速度继续向阀门流动。在阀门突然关闭的极短时间dt内，过流段面N′－N′与N－N之间停止流动的液体厚度为dl，以过流段面N′－N′与N－N之间的一段管道内的空间为控制体。在N′－N′断面上的水的压力为正常工作压力p，而在断面N－N上水的压力升高到p+ph。由于水受到压缩，控制体内水的密度由原来ρ的升高到ρ+dρ，管道断面面积也由A变为A+dA(见图1)。




图1 管道中水击压力变化

此时控制体内液体的质量为(ρ+dρ)(A+dA)dl，控制体动量的变化量为：



dt时间内沿管轴流动方向外力合力的冲量为：

根据动量定理，控制体内液体动量的变化量等于合外力的冲量，那么，



化简后得：

由于dρ<<ρ，可忽略dρ。而dl/dt表示了水击压力的升高沿管道传播的速度，即水击波

的传播速度，用c0表示，即

②水击波的传播速度c0的确定

，于是水击压力的计算公式为： Ph=ρcc0

根据质量守恒，略去高阶无穷小量

由虎克定律可得，

式中：E——管壁的弹性系数，钢管的E=196×109 N/m2； s——管子的壁厚，m。又根

据流体的膨胀性和压缩性，Kp=2.06×109N/m2），所以，

式中Kp为液体的体积弹性系数（水的



式（2）代入式（1），得到压力波的传播速度为：

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