（水利水电工程专业论文）阻抗式调压室水力性能研究.pdf

摘要 本文在总结、分析前人研究成果的基础上，对阻抗式调压室的若干水力特性问 题进行了系统的研究探讨，主要研究内容如下： 1 系统介绍了国内外有关阻抗式调压室的研究状况； 2 ，结合江苏宜兴抽水蓄能电站尾水调压室水力模型试验成果，采用理论计算与 模型试验结果相结合的方法，对有连接管的阻抗式调压室局部水头损失系数的计算 方法进行了讨论。给出了基于g a r d e l 关于三通管水头损失系数的经验公式、焊接t 形三通管水头损失系数的实验资料及截面突变管道的水头损失资料，计算有连接管 的阻抗式调压室在不同流态下水头损失系数的计算方法，并将这两种方法计算得到 的调压室局部水头损失系数分别与模型试验成果进行了比较和分析； 3 采用四种不同的方法确定阻抗式调压室局部水头损失系数，利用水锤一调压 室联合计算，研究分析了阻抗式调压室局部水头损失特性的表达方式对调压室涌浪 以及调压室底部节点压力计算精度的影响； 4 基于g a r d e l 关于三通管水头损失的经验公式，研究分析了连接管处的速度水 头以及进出调压室水体与尾水隧洞水体之间的动量交换，对有连接管的尾水调压室 稳定断面积的影响，并在托马( t h o m a ) 假定基础上，推导出相应的调压室稳定断 面的计算公式； 5 ，总结并指出今后应进一步深入研究的方向。 关键词：连接管尾水调压室水头损失系数模型试验稳定断面 a b s t r a c t s o m ee s s e n t i a lh y d r a u l i cp r o p e r t i e so ft h r o t t l e ds u r g et a n ka r ec a r e f u l l ya n a l y z e d t h r o u g hs u m m a r i z i n g t h ep a s ts t u d y t h er e s e a r c hi n c l u d e s ： 1 t h e d e v e l o p m e n t o ft h et h r o t t l e d s u r g e t a n kh a sb e e ni n t r o d u c e d s y s t e m a t i c a l l y 2 b a s e do nt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a ld a t ao ft h et a i l r a c es u r g et a n ko fy i x i n gp u m p e d - - s t o r a g es t a t i o n i nj i a n g s up r o v i n c e ，t h i sr e s e a r c hi n v e s t i g a t e st h e m e t h o d sf o rt h eh e a dl o s sc o e f f i c i e n t so ft h r o t t l e ds u r g et a n k 、i t l ll i n k i n gp i p eb y m e a n so ft h em e t h o dw h i c hi n c o r p o r a t e se x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s b a s e do nt h eh e a dl o s sc o e f f i c i e n t so b t a i n e df r o mg a r d e l ss e m i e m p i r i c a le q u a t i o n s f o r t - - j u n c t i o n f l o wa n de x p e r i m e n to fw e l d e dt - - j u n c t i o n ，t h el a y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h r o t t l e ds u r g et a n ka r ee s t i m a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h o s eg o t t e n f r o m h y d r a u l i ce x p e r i m e n t 3f o u rd i f f e r e n tm e t h o d so f d e t e r m i n i n g t h eh e a dl o s sc o e f f i c i e n t so ft h r o t t l e d s u r g et a n kh a v eb e e ne m p l o y e d t oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fm e t h o d sa f o r em e n t i o n e d o n t h ea c c u r a c y o f c a l c u l a t i n gs u r g e a n d p r e s s u r eh e a d o f t h r o t t l e ds u r g e t a n k 4 t h e i m p a c t so f b o t ht h ev e l o c i t yh e a da n dm o m e n t u md i s t r i b u t i o ni nt h et j u n c t i o no f at a i l r a c es u r g et a n ko nt h ec r i t i c a ls t a b l es e c t i o n a la r e ao ft h et a n kw e r e a n a l y z e db yu s i n g g a r d e l s e m p i r i c a le q u a t i o n s f o rt - - - j u n c t i o nf l o w b a s e do n t h o m a st h e o r y ，af o r m u l ao f t h ec r i t i c a ls t a b l es e c t i o n a la r e ai sd e r i v e d 5 a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，f u r t h e rr e s e a r c hw o r ki ss u g g e s t e d k e y w o r d s ：l i n k i n gp i p e t a i l r a c e s u r g et a n k h e a dl o s sc o e f f i c i e n tt e s td a t a s t a b l es e c t i o na r e a 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 瞬变流( f l u i dt r a n s i e n t s ) ，也称为非恒定流、水力过渡过程等。自2 0 世纪 初，俄国学者儒可夫斯基( j o u k o w s k i ) 、意大利学者阿列维 2 1 ( a i l i e v i ) 等为水 击理论奠基以来，瞬变流研究经历了解析法、图解法、电算法【3 】等阶段，瞬变流 研究的深度和广度都有了很大发展，例如汽一液、回一液两相非恒定流，非恒定 流紊流阻力损失，水力系统共振，二维及三维有压非恒定流，优化控制及人工智 能在设计控制中的应用，压力波衰减的机理研究等等，目前已经发展成为流体工 程中一个较为成熟的科学分支。 为了解决各大电网的调峰容量，2 0 世纪8 0 年代以后，抽水蓄能电站在我国 得到迅速发展，具有长输水道的常规水电站和抽水蓄能电站越来越多，为了满足 这些电站调节保证计算的要求，常常需要设置调压室，有的电站还需要设置上、 下游双调压室【4 啊】。根据我国已建电站的设计、运行经验及国外有关规范与资料 的分析论证，有关设置调压室的初步判别条件是： ( 1 )设置上游调压室的初步判别依据 y 矿 z ，= 圭生二二 2 4 s ( 1 1 ) g h d 式中：l 压力水道中水流惯性时间常数； 三，压力水道及蜗壳和尾水管各分段的长度； k 各分段内相应的水流流速； g 重力加速度： h 。电站的设计水头。 国外设置调压室的初步判据如表1 1 所示。 表l 一1国外设置调压室条件的初步判据 河海大学硕士学位论文 ( 2 ) 根据我国现行的水力发电厂机电设计技术规范，压力尾水道上设 置下游调压室的条件，可按机组甩全部负荷时，尾水管内的最大真空度不大于 8 m 水头的要求决定。按机组极限水锤计算公式反推，可得： 驴岫皿器( s 一善卅， ：， 式中：。压力尾水道的长度； 盯压力尾水道的特性常数，盯= 等： 臣考虑尾水管进口流速分布不均匀的修正系数： 疋水轮机导叶的关闭时间； 。稳定运行时压力尾水道中的流速； 水轮机转轮后尾水管入口处的流速； 日。水轮机的吸出高度。 因高水头电站的口值一般较小，即使按低水头极限水锤的上限考虑，口约为 o 5 ，为安全取o - = 0 5 ，并取水流压力脉动和流速不均匀分布修正系数k = o 7 ，则 式( 1 2 ) 可以化简为： 铲器( s 一等州叫 ， 水电站负荷的变化，例如正常开、停机及增减负荷，或输电线路、机组设备 故障、建筑物事故、误操作等造成的事故丢荷，或者由于同一输出线路上某电站 发生事故甩荷而使得处于事故备用状态的水电站突然增荷，以及其他扰动，比如 库水位的快速涨落、波浪等，都会在水电站的过流系统中产生非恒定流。 尽管瞬变流理论从总体来看已经比较完善，但是随着社会经济和科学技术的 发展，在实际工程中仍然遇到很多有关非恒定流的问题，这些问题用现有的理论 和模型不能得到较好的解决，因此需要做进一步更深入的研究，为实际工程提供 可靠的理论依据。 1 2问题的提出 水电站输水系统是水电站必不可少的组成部分，它包括进水建筑物、压力管 道和尾水道，而对有压引水式水电站而言，还可能包括引水隧洞和调压室等 1 2 。1 6 。电站运行状态发生改变时产生的有压输水系统中的非恒定流问题可分为 两种类型：种是传播迅速、变化急剧的压力波动现象，称为水锤；另一种是伴 第一章绪论 随着水体运动而产生的调压室水位变化现象，称为调压室波动。这两者各具特点， 但又有机地联系在一起。水电站有压输水系统非恒定流对水电站的稳定及安全运 行有很大影响，所以其研究也倍受人们重视。对水电站有压非恒定流问题的研究 往往归结为对水电站水锤和调压室涌波的分析研究。 在水电站、泵站和抽水蓄能电站建设中，为了减小引水系统或尾水系统中的 水锤压力，满足输水道强度和布置要求，改善机组运行条件，根据工程的实际情 况，常常需要设置不同型式的调压室，如圆筒式、阻抗式、双室式、溢流式、差 动式、气垫式以及组合型式的调压室，阻抗式调压室是经常使用的一种。在含 调压室的水力过渡过程计算中，水流流进、流出调压室时的局部水头损失系数是 进行调压室涌浪计算和水位波动稳定分析必须具备的基本资料，其可靠性和精度 将直接影响水力过渡过程计算结果的准确性，以及工程的经济性和安全性。 目前，随着科学技术的发展和电子计算机的应用普及，电子计算机已经广泛 应用于调压室水位波动计算和稳定问题的分析研究，采用这种先进的分析手段， 可以在计算各种复杂的调压室系统时考虑各种影响因素，这些都是过去手工计算 所难以做到的，是水电站水力过渡过程计算的一大飞跃。在含调压室的水力过渡 过程计算中，最感困难的问题就是如何准确确定调压室的局部水头损失系数。实 际计算时，往往由于缺乏调压室局部水头损失系数的试验资料，而得不出精确、 可靠的计算结果。国内外的一些文献载有这方面的试验资料，例如文献 1 7 1 8 中 所描述，水流流进、流出调压室时的局部水头损失系数，是一个仅与连接管或阻 抗孔口型状和水流方向有关的常数。文献【1 9 l 仅提供了可用于差动式调压室和带上 室调压室的阻抗损失系数资料，以及具有膜板形阻抗孔口或短喉管的阻抗式调压 室的阻抗损失资料。“y u t c k 2 0 】也仅研究了阻抗式调压室底部t 形岔管时，阻 抗孔口的型状、尺寸及位置对调压室局部水头损失系数的影响。它们只适用于某 一些特殊情况，并且有一些也不够精确。除此之外，并未见到有较系统论述这方 面内容的文献和试验研究成果，调压室局部水头损失系数的试验研究是长期以来 一直在进行的一项研究工作。 在水电开发中，由于受地形、地质等条件的限制与影响，常常需要采用长引 水道或长尾水隧洞的开发方式，如地下电站的首部以及中部开发方式等。如果有 压尾水隧洞太长，当机组甩负荷时，尾水管内由于压力下降将产生很大的真空， 从而产生液柱分离现象，当真空度达到一定值后还将引起尾水的水流向反向流 动，形成反水击使机组上抬，简称为“抬机现象”，这种现象对机组具有很大的 破坏作用，已经引起有关人员的关注。目前，解决的方法之一就是在尾水道上设 景尾水调压室。 尾水调压室的水位波动过程与上游调压室相似，但变化的方向却相反，当机 河海大学硕士学位论文 组突然甩荷时，水轮机的引用流量将减少，尾水调压室需要向尾水隧洞补充水量， 因此水流由调压室经过阻抗孔口流进尾水隧洞，由于阻抗作用，调压室中水位较 简单式的降低值要小一些；当机组负荷突然增加时，水轮机的引用流量将增加， 水流由尾水管道经阻抗孔口流入调压室，由于阻抗作用使得调压室中水位较简单 式的升高值也要小一些，因而减小了调压室中水位波动的振幅。 在非恒定流过程中，调压室中水位波动的情况可分为两种类型：一种是大波 动，即电站的负荷发生大幅度变化，例如机组由空转增加到某一负荷，或机组由 满负荷降低到较小负荷，此时将引起调压室中较大的水位波动；另一种是小波动， 即电站在运行过程中发生的微小负荷变化，从而引起调压室中水体微小的水位波 动。 调压室水位波动计算和稳定性分析的目的是为压力管道、调压室等的结构设 计提供必要的、准确的依据，是确定调压室类型及其几何尺寸的重要环节。调压 室水位波动的不稳定现象于1 9 0 4 年在德国汉堡( h e i m b a c h ) 水电站首次被发现， 托马( t h o m a ) 2 1 1 根据微小扰动首先研究了调压室水位波动的不稳定现象，托马 稳定条件基本假定的主要内容为： ( 1 ) 假定波动是线性的，扰动的幅值为无限小； ( 2 ) 电站孤立运行； ( 3 ) 调速器绝对灵敏，即假定调速器为理想调速器； ( 4 ) 水轮机出力保持为常数，忽略水轮机效率的变化。 1 9 1 0 年，托马提出了调压室稳定断面的计算公式，并以此作为计算调压室 临界稳定断面积的依据： f = 丽l f ( 1 4 ) h 。o + h 。o 二 ( 1 5 ) j 式中：日。水电站上、下游的水位差，即电站的静水头； h l = h o h ，o 一3 h 。o ： f 实际采用的调压室横断面积； e ；托马临界断面积； 引水道的长度： 厂引水道的断面积： 口上游水库至调压室的水头损失系数，口= 矗埒，h 为引水道 中的局部损失与沿程摩擦水头损失； 对应于初始流量时，引水道中的水体流速； 第一章绪论 h 。对应于初始流量g 时，引水道中的沿程损失与局部损失，不包括 调压室底部损失； h 。对应于初始流量q n 时，压力管道中的水头损失。 在调压室理论的研究中，稳定断面的研究是调压室研究的主要课题之一。传 统的调压室稳定断面积的选择方法是先求出托马临界断面，然后乘以一个安全系 数”。但是由于下述原因，过去均倾向于选取较大的, 值： ( 1 ) 基于托马假定求得的托马临界断面忽略了一些对稳定不利的因素，如 水轮机效率、压力管道中水流的惯性影响等； ( 2 ) 调压室的稳定断面与引水道的糙率、局部损失系数等因素有关，而引 水道糙率和局部损失系数是无法精确预知的； ( 3 ) 调压室的大波动稳定性分析证明，大波动时所要求的稳定断面比小波 动时要大。 有关n 的选择，有各种主张，耶格尔( j a e g e r ) 田1 建议n = 1 5 1 8 ，休勒 ( s c h l l l l e r ) 和卡罗斯( k a r a s ) 等人主张采用2 或者更大【1 9 l 。瑞奇( r i c h ) 2 3 提出，按照美国的经验，普通调压室采用n = 1 5 ，阻抗式调压室采用n = 1 _ 2 5 。欧 洲的实际工程中则更多地采用仃= i 7 l _ 8 。近代设计的调压室则趋向于采用小 值，”= 1 0 1 - 2 ，甚至有少数电站的调压室采用 1 。 随着对调压室水位波动计算和稳定性研究工作的深入开展，人们逐渐认识到 托马假定偏于保守。卡拉姆( c a 1 a m e ) 、加登( g a d e n ) 和耶格尔( j a e g e r ) 2 4 1 等人在托马假设的基础上对托马公式作了一些修正。2 0 世纪5 0 年代，西美米【2 5 l ( s c i m e m i ) 和盖蒂1 2 6 】( g h e t t i ) 对意大利一些水电站进行了甩荷试验，发现有 的电站在调压室的断面积小于托马临界稳定断面时，水位波动是衰减的，这说明 托马公式并不是唯一的标准。1 9 5 7 年，弗朗克1 27 j ( f r a n k ) 在引入调速器参数后， 推出了一个调压室稳定断面的计算公式，其计算结果远小于托马临界稳定断面， 但该公式中忽略的因素较多，故没有被推广应用。1 9 6 3 年，日本的村濑次男等【2 8 】 人对水电站调压室的稳定性问题进行了系统的研究，发表了一系列的文章，其中 考虑了水轮机、电力系统、压力管和调速器的影响，但是由于他的研究没有超出 水轮机出力为常数的条件，因而其计算结果也没有超出前人的研究成果。 对于大型地下式水电站，当需要设置尾水调压室时，如能降低尾水调压室的 高度，不仅可以减少地下洞室的开挖量，而且也有利于尾水调压室边墙和洞室群 的围岩稳定。合理选择调压室的结构型式、布置方式以及确定恰当的调压室稳定 断面积，可以节省水电站的造价，对于大型水电站而言，其经济意义更大。因此， 需要进行尾水调压室的体型设计和结构型式的研究分析，通过有压输水系统的整 体和局部模型试验确定引水道、压力管道、尾水管道和尾水隧洞的水锤压力以及 河海大学硕士学位论文 调压室中的水位波动变化，最后再经过全面的技术经济比较选出最优的设计方 案。 1 3 阻抗式调压室的研究概况 为了减小水锤压强，提高电站运行的稳定性和供电质量，水电站有压引水系 统于十九世纪末就开始采用调压室 4 j 。而有关调压室的研究可追溯到欧洲早期， 学者雷图( 2 9 1 ( r a t e a u ) 、卡拉姆( c a l a m e ) 和加登( g a d e n ) 【3 0 1 、弗朗克( f r a n k ) 和休勒( s e h t l l l e r ) 3 1 】等的研究为调压室理论的建立奠定了基础。 阻抗式调压室是使用得较多的一种调压室，它具有削减调压室中最高水位和 抬高最低水位，以及使水位波动很快衰减等优点。在设置有阻抗式调压室的水电 站中，调压室与输水隧洞的连接处具有阻抗，由于阻抗作用，减小了调压室中水 位波动的振幅，相应地可以降低调压室的高度。然而，与已经大量研究过的无阻 抗的简单式调压室相比，阻抗式调压室却研究得相对较少。 一、国外研究概况 关于阻抗式调压室的研究，s c h o k l i t s c h 3 2 j 首先提出了调压室水位波动过程的 图解法，在其主要尺寸已初步拟定的情况下，图解法可以适用于各种类型的调压 室。2 0 世纪5 0 年代，耶格尔( j a e g e r ) 1 1 5 1 发表调压室设计的近代趋势一文， 对于调压室的选用、理论计算与波动稳定，得出了有意义的成果，特别对临界断 面积与稳定断面积之间的比值以及波动的衰减问题，提出了可贵的研究报告。6 0 年代，p i c k f o r d 3 3 】提出以对数曲线进行调压室波动的计算一文，可直接由对 数曲线简捷地找出水位波动过程的最大值与最小值。同时，他对阻抗式调压室的 水位波动进行了大量的模型试验与原型观测，并提出了分析研究报告。q u i e t 3 4 】 将调压室水位波动稳定的非线性微分方程，经过数学处理使方程线性化，然后利 用霍尔维兹条件，判别调压室水位波动是否稳定，并以无因次的参数绘制了调压 室水位波动稳定的区域图，由此以修改所拟定的调压室的断面积。 上述学者的研究成果基本上都是正确的，不足之处就在于他们只研究了假定 水轮机出力不变的情况，而没有较全面地对调压室的稳定性问题进行研究和分 析。 6 0 年代以后，大多数学者在对调压室稳定性问题进行研究时，在研究分析 的方法上与以前的传统方法有了很大不同，不再假定水轮机出力不变，除考虑水 力系统方程外，还引入了调速器方程、水轮机方程、发电机一电网方程，基本上 客观地反映了水一机一电的水力过渡过程。但是由于方程组的增多，变量个数明 显增加，由此得出的系统特征方程的阶数都很高，根据稳定性的判断依据所得出 第一章绪论 的稳定条件，一般很复杂，很难从中得出简单明了的解析公式。所以人们往往借 助于电子计算机来进行数值计算，从而得到系统的稳定域。 2 0 世纪7 0 年代，希芝( s e t h ) 3 5 1 提出了有关水锤波通过阻抗式调压室的底 部传递到隧洞的研究分析报告，他提出：在最高涌浪相同的前提下，若使用阻抗 式调压室，仅需简单式调压室容积的3 0 4 0 。s e t h u r a m e n 3 6 1 提出阻抗式调压室 水位波动稳定分析的电子计算机模拟研究的报告，建立了阻抗式调压室的水位波 动稳定方程的数值模拟解法。l i y u t e k w 】利用电子计算机与s c h o k l i t s c h 图解法， 对阻抗式调压室水位波动的图解与稳定性分析提出了计算程序和示例。在己知水 轮机的运行情况和允许传递到隧洞的水锤压力的情况下，m o s o n y i 与s e t h 3 8 】提出 阻抗范围的分析报告，为阻抗式调压室的选用提供了必要的研究资料。 弗朗克( f r a n k ) 和休勒( s c h t l l l e r ) p i j 通过利用积分图解方程，研究论证了 水轮机的等流量和等开度调节时，计入隧洞阻力损失后，调压室的水位波动总是 稳定的。对于水轮机的等出力调节的情况，t h o m a t 2 】通过线性化调节方程，证明 了调压室的面积小于一个最小值时，波动是不稳定的，这个最小面积就是托马临 界稳定断面。m a r f i s 3 9 - 4 0 l 和s i d e r i a d e s 4 1 4 2 】通过运用相平面法【4 3 - 4 4 ，论证了托马 准则不适合于大波动情况。r u u s 4 5 1 在数值计算机上分析了水轮机的等出力结合 全开度情况，证明是小波动而不是大波动，对调压室的稳定是危险的。乔德里 ( c h a u d h r y ) 与r u u s 4 6 】通过运用相平面法进行调压室系统的水位波动稳定分析 【4 4 ，对水轮机的等流量调节、等开度调节、等出力调节以及等出力结合等开 度调节对调压室稳定性的影响进行了研究，分析研究后指出：对于水轮机的前两 种调节，调压室内的水位波动总是稳定的，只有在等出力调节的情况下，调压室 内的水位波动才会发生类似于德国汉堡电站的水位波动不稳定现象，但是这种现 象实际上是由等出力调节和等开度调节共同作用的结果。同时，他们还研究了具 体的电站动力系统的奇点性质，通过相平面图对其进行了分类，并给出了判断调 压室水位波动是否稳定的方法。 二、国内研究概况 有关阻抗式调压室的研究，文献【”j 对具有长连接管的阻抗式调压室进行了详 细的水力特性模型试验，研究分析了连接管尺寸、水流流态及流量比对调压室局 部水头损失系数的影响，并给出了有连接管的阻抗式调压室水头损失系数关于流 量比的拟合公式和关系曲线。其研究结果表明，阻抗式调压室的局部水头损失系 数并不是仅与连接管或阻抗孔口尺寸、水流方向有关的变量。文献【5 1 】通过建立水 电站压力引水系统瞬变流数学模型，可以回答机组在各种工况下，沿管线各断面 的最大、最小水锤压力及其压力波动过程，调压室最高、最低涌浪高程及其涌浪 衰减过程线，系统稳定时间，穿室水锤压力等，并可优化导叶启闭规律，对节省 河海大学硕士学位论文 电站的投资，降低工程造价具有重要的现实意义。文献垆2 j 针对阻抗式调压室水位 波动时底部水流的流态特性，分析了小波动情况下阻抗损失的变化规律，通过稳 定性分析，推导出阻抗式调压室水位在小波动情况下的稳定条件及调压室临界稳 定断面的计算公式，其研究结果表明，选择适当大小的阻抗型式，有助于提高调 压室水位小波动的稳定性，相应的调压室临界稳定断面积将小于托马临界断面。 有关水电站调压室稳定性f q 题的研究，文献瞪副针对孤立运行的“七一”电站 的稳定问题，引用常用的调速器方程来简化方程，考虑机组动力特性，按理想水 轮机分析计算结果，论证了该电站扩大装机后在原调压室断面积等于托马临界稳 定断面的6 0 时，通过调整调速器参数能够稳定运行p ”，现在已经在实践中得 到证实f 5 5 1 ，但当时尚未提出一个具体的计算公式。1 9 8 0 年，董兴林【5 6 】发表了水 电站调压室稳定断面问题的研究一文，根据罗斯一霍尔维兹稳定判断依据，在 忽略一些次要条件的基础上，推得了一个考虑调速器作用的调压室稳定断面解析 公式，他同时也指出，如合理选定调速器的参数，可使水电站调压室在小于托马 临界断面之下也能稳定运行，由于该公式没能完全满足罗斯一霍尔维兹判别条 件，因此存在一定缺陷。1 9 9 2 年，董兴林口7 1 对大朝山下游调压室的稳定断面进 行了研究，根据所有的稳定条件，通过数值计算得出了系统的稳定域，通过增大 调速器参数软反馈强度6 ，和软反馈强度的时间常数乃的值减小了调压室的稳定 断面，就系统的稳定而言，无疑是正确的，但他没有对减小调压室稳定断面后， 系统的调节品质作进一步的分析。 2 0 世纪8 0 年代以后，国内的许多专家学者正在寻找影响调压室稳定断面的 因素及减小调压室稳定断面的方法，他们从不同的角度，研究分析了调压室底部 的阻抗因素、电网的“拖动”效果与水轮机调速器的滞后及效率与特征曲线等因 素对调压室稳定断面的影响，并对托马的基本假定进行了较为深入的研究与探 讨，得出了许多有益于指导工程实践的结论 5 s 6 3 】。 1 4 本文的研究意义和主要研究内容 一、本文的研究意义 本文结合江苏宜兴铜官山抽水蓄能电站输水系统水工模型试验和安徽省琅 琊山抽水蓄能电站输水系统水工模型试验的科研工作，对阻抗式调压室，量测了 在不同工况和流态下，水流流进、流出调压室时的局部水头损失系数，以及水流 流经调压室底部时的局部水头损失系数，并将其试验成果作为调压室尾水系 统水力过渡过程中大波动和小波动计算的原始参数。采用模型试验成果与理论计 算相结合的方法，研究分析如何选择合理连接管或阻抗孔口的形状、尺寸以及如 第一章绪论 何优选调压室的设计方案，从而进一步研究如何选择合理的阻抗式调压室的结构 型式，以及选择探讨合适的调压室稳定断面积。本文在理论方面和实际工程应用 方面都作了较系统的研究和探索。 用传统的图解法和目前最常用的计算机数值模拟法来研究调压室的水位波 动过程及其对水锤波的反射性能时，最感困难的问题就是如何准确确定水流流 进、流出调压室时的局部水头损失系数。在实际的水力过渡过程计算中，往往由 于缺乏调压室的局部水头损失系数的试验资料，一些先进、精确的计算方法仍然 得不到准确、可靠的水力过渡过程计算结果。 鉴于此，本文研究了水流流进、流出阻抗式调压室时的局部水头损失系数计 算方法，并将其计算结果与模型试验结果进行了定量的比较和分析，进而通过水 锤一调压室联合计算，研究其对调压室水位波动计算精度的影响，在此基础上， 研究分析阻抗式调压室水位波动稳定性以及探讨选择合适的调压室临界稳定断 面积的途径。这对以后的研究工作具有一定的理论指导价值和工程应用上的参考 价值。 二、本文的主要研究内容 综上所述，有关阻抗式调压室的研究，在实际工程的计算中，涉及的因素较 多，难以一一涉及，前人虽然在该领域做了大量的研究工作，取得了一定的进展， 但还不能完全满足工程中的实际需要，本文就以下几个方面的内容展开较为深入 的分析研究： 1 研究有长连接管的调压室局部水头损失系数的计算方法 调压室的局部水头损失系数是水电站和抽水蓄能电站水力过渡过程计算中 的一个重要参数。鉴于在调压室设计方案的比选阶段，各电站对调压室局部水头 损失系数的要求也各不相同，如果通过系统的调压室水力特性模型试验测试各方 案的阻抗特性，则研究的周期长、成本高，不利于方案优化。本文结合江苏宜兴 铜官山抽水蓄能电站输水系统水工模型试验，采用理论计算与模型试验结果相结 合的方法，研究了具有连接管的调压室局部水头损失系数的计算方法，给出了基 于g a r d e l 三通管水头损失系数的半经验公式、焊接t 形三通管水头损失系数的 实验资料以及截面突变管道的水头损失资料，计算有连接管豹阻抗式调压室在不 同流态下水头损失系数的计算方法，并将这两种方法计算得到的调压室水头损失 系数分别与调压室水力特性模型试验结果进行了比较和分析。 2 研究基于水锤一调压室联合计算的阻抗式调压室阻抗系数的选择 采用四种不同的确定阻抗式调压室的局部水头损失系数的计算方法，利用水 锤一调压室联合计算，研究分析了调压室局部水头损失特性的表达方式对调压室 涌浪及调压室底部节点压力计算精度的影响，并将这四种方法所得到的计算结果 河海大学硕士学位论文 进行了比较和分析。 3 进行有连接管的尾水调压室稳定断面问题的理论研究 水电站调压室稳定断面积的选择，对于引水发电系统的稳定性、涌浪水位以 及工程投资等都有很大的影响。本文基于g a r d e l 关于三通管水头损失的经验公 式，研究分析了有连接管的尾水调压室，连接管处的速度水头以及进出调压室水 体与尾水隧洞水体之间的动量交换对尾水调压室稳定断面积的影响，在托马假定 的前提下，推导出了相应的调压室稳定断面计算公式。 4 对全文进行总结，并提出了今后有待进一步研究的方向。 第二章有长连接管的阻抗式调压室水头损失系数计算与试验研究 第二章有长连接管的阻抗式调压室 水头损失系数计算与试验研究 2 1引言 为了控制水锤压力，满足输水道强度和布置要求，提高机组的调节性能，在 设计具有长引水道或长尾水隧洞的水电站和抽水蓄能电站时，通常都要通过水力 过渡过程计算，论证设置调压室的必要性，1 6 4 5 1 。在水力发电工程中，为了适 应电站建设发展的需要，出现了不同型式的调压室，其中阻抗式调压室是经常使 用的一种。而水流流进、流出调压室时的局部水头损失系数是否选用合理，将直 接影响电站水力过渡过程计算结果的准确性，以及工程的经济性、安全性。 影响阻抗式调压室局部水头损失系数大小的因素有：阻抗孔口或连接管的尺 寸、型式及其与调压室的连接方法，水流的流态，以及各部分流量占总流量的 e 例，简称为流量比。常见的阻抗式调压室的结构型式可分为两种：第一种是调压 室的大井底部与输水隧洞顶部的距离很近，两者之间由隔板分开，其水头损失系 数取决于隔板上连通大井和输水隧洞的孔口形状及大小，棉花滩水电站的尾水调 压室采用了这种型式，拟建的溪洛渡水电站也研究了采用这种型式调压室的可行 性；第二种是调压室的大井与输水隧洞之间由连接管相连接，参见图2 1 所示， 图2 - - 1有连接管的调压室电站布置示意圈 它适合于调压室最低涌浪水位到输水隧洞顶部之间距离较大的情形，例如加拿大 的帕斯瀑布( c h u t e d e s p a s s e s ) 水电站【1 7 1 的上游调压室，调压室大井的内径为 3 9 6 5 m ，调压室大井底板的高程为3 2 1 ，5 m ，引水隧洞顶部的高程为2 1 0 5 m ，两 者之间的垂直距离达1 1 1 0 m ，该电站采用直径为9 1 5 m 的竖井连接调压室大井 和引水隧洞，大大减少了调压室的工程量。国内的江苏宜兴抽水蓄能电站和泰安 抽水蓄能电站的尾水调压室也存在类似的情况，设计中均对采用这种具有长连接 第二章有长连接管的阻抗式调压室水头损失系数计算与试验研究 管结构调压室的可行性均进行了水力过渡过程计算论证。 对于第一种阻抗式调压室的局部水头损失系数，目前已经有了比较系统的研 究成果1 1 8 】，【2 0 6 1 ，可以引用的资料也比较丰富，而对于第二种有连接管的阻抗式 调压室局部水头损失系数的研究成果则较少，缺乏系统性。由于在水力过渡过程 中，这种有连接管的阻抗式调压室的流态，可以概括为如图2 2 所示，水流在 t 形三通管和截面突变管道中的流动。对于t 形三通管和截面突然扩大、突然缩 小管道的局部水头损失系数，目前已经有了丰富的研究成果。同时，鉴于在调压 室设计方案的比选阶段，各电站对调压室的局部水头损失系数的要求也各不相 同，调压室大井和连接管可以分别有几种待选的直径方案，两者之间不同的组合， 使得调压室具有不同的阻抗特性，而且组合方案很多。如果通过系统的调压室水 力特性模型试验测试各方案的阻抗特性，来具体确定调压室大井直径和连接管直 径的合理匹配方案，则研究的周期长、成本高，方案优化过程慢。倘若能够利用 现有的t 形三通管和截面突然扩大、缩小管道的局部水头损失资料，通过适当的 计算方法，从而初步确定调压室的水头损失特性，则可以大大加快水电站设计方 案的论证进度，提高成果的可靠性。 巴型 1 ：( a ) 水流流进调压室4 已j i ( b ) 水流流出调压室4 图2 2调压室典型流态示意图 正是基于上述这种考虑，本章结合江苏宜兴铜官山抽水蓄能电站输水系统进 行的整体和局部水工模型试验成果，研究如何将调压室的流道几何结构参数与关 于t 形三通管和截面突变管道的局部水头损失系数的研究成果之间建立起联系， 估算具有阻抗连接管的调压室局部水头损失系数，并将此方法计算得到的水头损 失系数与模型试验结果进行比较，对其精度进行了比较和分析，以便于其在工程 设计中使用。 2 2 基于g a r d ei 经验公式计算水头损失系数 2 2 1 t 形三通管的水头损失系数 关于t 形三通管在分流与合流时的水头损失特性，早在1 9 2 6 1 9 3 1 年，德 第二二章有长连接管的阻抗式调压室水头损失系数计算与试验研究 国的v o g e l 6 7 1 等学者已经进行了系统的水力学模型实验。由于这种流动形式在实 际工程中广泛存在，因此具有重要的研究意义，2 0 世纪5 0 年代m c n o w n 6 8 】和 g a r d e l 6 9 】又分别独立地对它进行了系统的模型试验。g a r d e l 在此基础上提出了一 个经验公式，现在被人们称为g a r d e l 公式。6 0 年代初期，b t a i d s d e l l 和m a n s o n 7 0 】 在研究输水系统能量损失特性时，也进行了这方面的试验研究。7 0 年代m i l l e r 7 1 】 也进行了相关的试验，并且对3 0 年来各家同类试验成果和他自己的试验成果进 行了综合对比分析研究，其研究结果表明，除了v o g e l 的成果，其余各研究者的 成果之间均具有很好的一致性，他还将g a r d e l 公式预测的水头损失系数与试验 结果进行了比较分析，表明它有令人满意的精度。 由于在g a r d e l 公式中包含了影响三通管水头损失大小的结构参数，本章以 g a r d e l 公式和截面突然扩大、缩小管道的局部水头损失试验资料为基础，计算具 有连接管的阻抗式调压室的水头损失系数。为了便于叙述。将这种有连接管的阻 抗式调压室中的流态分为两种情形：一种是输水隧洞中的水流分成两股，其中一 部分水流流入调压室，另一部分则继续沿原方向流动，简称为分流，如图2 2 ( a ) 中所示水流流入调压室时的情形；另一种是从调压室流出的水流与调压室上游侧 隧洞中的水流合二为一，汇入调压室下游侧隧洞，简称为合流，如图2 2 f b ) 中 所示水流流出调压室时的流态。 一、分流情况 根据g a r d e l 公式【l l 】，【7 2 1 ，分流时，断面1 至断面3 的水头损失系数按下式计 算： 矗，：o 9 5 ( 1 一g ，1 ) z + g ，2 f 1 3 c 留掣一o 3 + ( 半卜，剧+ o 。h ，。1 1 + 珈掣 n a h l 3 = h i h e = 3 。士 ( 2 2 ) 式中：岛，图2 2 ( a ) 中分流情况下，断面1 至断面3 的局部水头损失系数， 下标表示断面的位置； q ，分流时的流量比，q ，= 睾，q 。为输水隧洞中的总流量，q ，为流 入调压室的流量； 护连接管与调压室下游侧隧洞轴线的之间的夹角，对于本章所研究的 情况，取口= 9 0 0 ，参见图2 3 所示； 第二章有长连接管的阻抗式调压室水头损失系数计算与试验研究 a r 一连接管的断面积与输水隧洞断面积的面积之比，a ，= a ，a ，a i 、 a 分别为断面1 与断面3 的断面积： r 连接管与输水隧洞交接处的圆角半径与连接管直径d ；之比，在实际 工程中，一般连接管与输水隧洞直接相连，不存在圆角，故在计算中取f 0 ； 甄，断面1 至断面3 的局部水头损失： h 对应于指定断面的总水头； k 总流量在断面l 中的平均流速。 2 2 q 2v 2 i f l i 3 l q 3 3 1 i v 3 4 j 9 ， 一 0 1 ，v 1o 血v 4 图2 - 3有连接管的阻抗式调压室结构参数示意圈 二、合流情况 根据c - a r d e l 公式，在合流情况下，断面3 至断面4 的水头损失系数可以按 下式进行计算： 弘一。唧鸭小水z 一万洋寸o s ( t 一万1 泣， 譬竽1 + ( 2 - k h 3 4 ) 幽3 4 = h 3 一h 4 = 岛4 ( 2 4 式中：炙。图2 2 ( b ) 中合流情况下，断面3 至断面4 的水头损失系数； 第二章有长连接管的阻抗式调压室水头损失系数汁算与试验研究 q 3 4 合流时的流量比，q ，。= 睾，q 。为合流时调压室下游侧尾水隧洞 中的总流量，q 为从调压室中流出的流量； 幽，。合流时，断面3 至断面4 的局部水头损失； 圪总流量在断面4 中的平均流速。 2 2 2 截面突变管道的水头损失系数 一、管道截面突然扩大的情况 水流由输水隧洞经连接管流入调压室的大井时，断面3 至断面2 的局部水头 损失系数，可根据波达公式【7 3 】来计算得到： 地：= l ，一( 爰 2l 善= 九丢 c ：s ， 式中：d 3 连接管直径； d 2 调压室大井的直径； 以连接管中的平均流速； 厶，断面3 至断面2 管道突然扩大时的局部水头损失系数； ，断面3 至断面2 的局部水头损失。 二、管道截面突然缩小的情况 i 。 l墨毒 自2 v ，i _ 、太 阿f 夸一 u 心i a 2 一 j x 又。 圈2 4管道突然扩大和缩小时的局部水头损失系数 水流由调压室大井经连接管流出时，断面2 至断面3 的局部水头损失，可以 按下式进行计算： 第二章有长连接管的阻抗式调压室水头损失系数计算与试验研究 幽2 3 = f 2 3 ( 2 6 ) 上式中，f ：，为断面2 至断面3 管道突然缩小时的局部水头损失系数，本文采用 文献川中的试验曲线，如图2 4 所示，此图中管道突然扩大和缩小时的水头损 失系数f 均是针对断面积较小的管道爿，中的流速水头给出，虽然文献1 7 3 l 也给出了 计算管道突然收缩时计算局部水头损失系数的经验公式，但是其计算结果与图3 所示的试验值之间存在着较大差别，故在这里不被采用；幽，为断面2 至断面3 的局部水头损失；其余各变量的含义同前。 2 2 3 基于g a r d ei 公式及截面突变管道水头损失资料计算水头损失系数 一、分流时的水头损失系数 以上游调压室为例，当机组减荷或甩荷时，引水隧洞中的总流量q 1 的一部 分流量9 3 进入调压室，另一部分流量q 。继续沿原方向继续流动，则从断面1 到 调压室大井断面2 的水头损失为： 幽1 2 = 啊3 + 幽3 2 ( 2 7 ) 考虑到巧= 譬= 9 3 l k i a l ，综合式( 2 2 ) 、( 2 5 ) 和( 2 7 ) ，则可以得到分 流时，水流流入调压室时的水头损失为： 她：= 矗：善= 卜+ 缸g 三 丢) 2i 堡2 9 c z s ， 式中： 岛：断面1 至调压室大井断面2 的局部水头损失系数： 乳断面1 至断面3 的局部水头损失系数； 岛：断面3 至断面2 管道突然扩大时的局部水头损失系数。 因此，可以得到分流时，水流流入调压室时的水头损失系数为： 氕吒岷甑2 ( 砉) ( 2 ” 二、合流时的水头损失系数 合流时，从调压室中流出的水流流量q ：与调压室上游侧隧洞中的流量g ，合 二为一，汇入调压室下游侧隧洞的总流量为q 4 ，从调压室大井断面2 到断面4 的水头损失为： 幽2 4 = a h 2 3 + 呜4 ( 2 1 0 ) 同时，考虑到巧= 鲁= g ，。_ 睾，综合式( 2 4 ) 、( 2 6 ) 和( 2 1 0 ) ，则可 以得到合流时，水流流出调压室时的水头损失为： 第二章有长连接管的阻抗式调压室水头损失系数计算与试验研究 矗。= f 。差 = f 。a 五( 鲁 2 + 乞。 差妄 c z ，t ， 式中： 厶。合流时，调压室大井断面2