活塞消能式調壓室可行性研究

陶永霞,丁澤霖,劉子祺

(1.黃河水利職業技術學院,河南開封475004；2.華北水利水電大學,河南鄭州450045；3.黃河水利水電開發總公司,河南鄭州450003)

活塞消能式調壓室可行性研究

陶永霞1,丁澤霖2,劉子祺3

(1.黃河水利職業技術學院,河南開封475004；2.華北水利水電大學,河南鄭州450045；3.黃河水利水電開發總公司,河南鄭州450003)

在簡單式調壓室與阻抗式調壓室的結構基礎上,提出一種新型調壓室——活塞消能式調壓室,通過論述活塞消能式調壓室的結構特點及工作原理,采取理論分析與模型試驗相結合的方式,對活塞消能式調壓室的消能效果進行了論證。試驗結果顯示,活塞式消能調壓室消能效果與活塞阻抗板質量相關,質量越大消能效果越好；相較于簡單式調壓室,加入活塞的調壓室,其水位波動時間短、振幅小,引水道-調壓室穩定效果好。

模型試驗；消能效果；水位波動；活塞消能式調壓室

目前,調壓室的基本類型有簡單式調壓室、阻抗式調壓室、水室式調壓室、溢流式調壓室、差動式調壓室等[1-2],都具有各自的優點與不足,如：簡單式調壓室,其壓力管道與調壓室連接段水頭損失大,調壓室內水位波動較大；阻抗式調壓室的阻抗孔不能完全反射水錘波等問題。因此,基于傳統調壓室類型的基礎上,研究一種新型調壓室,減少調壓室與引水道連接處的水頭損失而不影響水錘波反射效果,減小調壓室水位波動的振幅從而減小調壓室容積,降低造價及運行成本,提高工程安全性、經濟性是非常有意義的。

本文提出一種基于簡單調壓室與阻抗調壓室的新型調壓室——活塞消能式調壓室,可減少調壓室與引水道連接處的水頭損失、減小調壓室水位波動的振幅從而減小調壓室容積,降低造價及運行成本,提高工程安全性及經濟性。活塞式阻水板可以利用自重及與管壁摩擦消除其不穩定波動,從而提高引水道—調壓室系統的工作穩定性。本文通過理論分析與模型試驗相結合的方式,分析活塞消能式調壓室的消能效果,為新型調壓室的可行性提供理論依據。

1 結構與原理

1.1 結構設計

活塞式調壓室基本構造如圖1所示。調壓室輪廓為簡單式調壓室,底部為具有阻抗孔的活塞式阻水板,阻水板由上支架、下支架和主軸支撐組成,阻水板在水流作用下可以沿主軸上下浮動。活塞式阻水板質量為m(其密度大于水密度),正常運行時,阻水板受自重影響位于調壓室底部,由下支架支撐；當引用流量發生變化時,阻水板在水流作用下沿主軸上下浮動。

圖1 活塞式調壓室結構示意

1.2 工作原理

活塞式調壓室工作原理為：當水輪機導葉關閉,引水道內水流由于慣性作用流向調壓室,引水道內水流頂托活塞阻抗板一起向上抬升,水流對活塞做功,消耗引水道內水流慣性能量,從而減小調壓室內水位波動振幅。活塞式調壓室相較于簡單式調壓室具有以下優點：①活塞消能。活塞阻抗板與調壓室壁接觸,在水流作用下上下浮動,產生摩擦力,并產生勢能,消耗水流慣性能。②阻抗孔消能。活塞板上設有阻抗孔,水流通過阻抗孔,消耗能量。③減小調壓室連接段水頭損失。正常運行時,活塞阻抗板由于重力作用,回落至壓力水道連接處,減少水頭損失。相較于阻抗式調壓室,可活動的活塞阻抗板提高了調壓室對水錘波的反射效果,以保證水錘波的充分反射。

2 理論分析

2.1 調壓室基本方程解析

調壓室有壓引水系統[3]反映的是調壓室與引水道斷面之間的勢能、慣性水頭及水頭損失之間的關系。文獻[4,5]利用小參數冪的漸進展開方法,提出了阻抗式調壓室甩負荷時涌浪計算的顯示公式,即

(1)

2.2 活塞消能式調壓室的波動解析

如前文所述,調壓室的水位波動是由于引水道內水流慣性作用,是慣性能與勢能的轉化。阻抗式調壓室是通過阻抗孔提高水流進出調壓室的水頭損失,從而減小調壓室水位波動。活塞式調壓室利用活塞自重及與調壓室壁摩擦消能的方式,增大水能損失,從而減小水位波動。令K為調壓室引起的能量損失,則有

(2)

將阻抗系數η改寫為η′,即

η′=K/hw0

(3)

由此式(1)可改寫為

(4)

從式(4)可以看出,Zmax與η′成反比關系,η′越大,涌浪高度Zmax越小。阻抗式調壓室的底板可以認為是一個質量無窮大,水流的托舉作用無法使底板上升只能由阻抗孔流入調壓室,因此認為K0,可以推斷活塞式調壓室的涌浪高度小于簡單式。

3 模型試驗分析

3.1 活塞消能式調壓室模型

依照原型為某水電站調壓室,該調壓室大井高60 m,直徑9.9 m。幾何比例尺為1∶100。模型整體結構如圖2所示。

圖2 模型示意(單位：cm)

3.2 活塞消能效果分析

根據前文分析可知,當相同尺寸活塞板,質量不同,對調壓室消能效果的不同。因此,在試驗中選用不同材質的活塞板,通過試驗,得到加活塞(包含不同質量的活塞)與無活塞時水位波動的實驗數據記錄如表1所示。

從表1數據可得到活塞質量與活塞涌波關系圖,如圖3所示。

表1 不同材質活塞阻抗板消能效果

圖3 活塞削波效果

從圖3可以看出,在兩種引水道長度下,數據都表現為活塞質量越大,減少調壓室涌波的效果越好,水流頂托活塞上升做功越多,消耗引水道水流慣性能越多。試驗結果與理論分析相一致,當活塞質量無窮大時,其消能效果最好,活塞式調壓室功能與阻抗式一致,因此,活塞式調壓室的消能效果介于簡單式與阻抗式調壓室之間。

3.3 引水道-調壓室穩定

調壓室的穩定情況如圖4所示。

圖4 調壓室水位波動示意

從圖4可以看出,相較于未加活塞的調壓室水位波動情況,加入活塞的調壓室,其水位波動時間短,波動振幅小,引水道—調壓室穩定效果好。說明活塞式阻水板可以利用自重消除水位不穩定波動,提高引水道—調壓室系統的工作穩定性,提高供電質量,減小調壓室斷面尺寸,降低調壓室造價。

4 結 論

本文對活塞消能式調壓室的結構特點及工作原理進行了論證,通過理論分析及模型試驗,指出了其運行特點及消能效果,得到如下結論：

(1)活塞消能調壓室可以降低調壓室與過流通道間水頭損失,減小調壓室水位波動。

(2)通過理論分析可知,活塞式調壓室涌浪高度高于阻抗式調壓室,小于簡單式調壓室。

(3)通過模型試驗可知,活塞質量越大,其減少調壓室涌波的效果越好,試驗結果與理論分析一致,當活塞質量無窮大時,其消能效果最好；加入活塞后,調壓室內水位波動時間短,波動振幅小,引水道-調壓室穩定效果好。

[1]張麗, 韓菊紅. 水電站[M]. 鄭州: 黃河水利出版社, 2009．

[2]程永光, 陳鑒治, 楊建東. 水電站調壓室涌浪最不利疊加時刻的研究[J]. 水利學報, 2004(7): 109- 113．

[3]鞠小明, 陳家遠. 調壓室涌波疊加計算研究[J]. 四川水力發電, 1997(4)： 88- 90．

[4]張志昌, 劉松艦, 劉亞菲. 阻抗式和簡單調壓室甩荷時水位波動的顯式計算方法[J]. 應用力學學報, 2004, 21(1): 50- 55．

[5]張健, 索麗生. 阻抗式調壓室甩負荷涌浪計算顯式公式[J]. 水力發電學報, 1992(2): 70- 74．

(責任編輯 焦雪梅)

Feasibility Study of Piston Energy Dissipation Surge Chamber

TAO Yongxia1, DING Zelin2, LIU Ziqi3

(1. Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng 475004, Henan, China;2. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, Henan, China;3. Yellow River Water Conservancy and Hydropower Development Corporation, Zhengzhou 450003, Henan, China)

A new type of surge tank—piston energy dissipation surge tank is proposed based on the structures of simple surge tank and throttled surge tank. The structure characteristics and operation principle of piston energy dissipation surge tank are introduced, and the energy dissipation effect is demonstrated by using theoretical analysis and model test. The experimental results show that: (a) the effect of energy dissipation is related to the quality of impedance plate, the higher the deadweight, the better the effect; and (b) compared to simple surge tank, the water-level fluctuation duration in piston surge tank is shorter, the amplitude is smaller and the stabilizing effect of surge tank with diversion channel is better．

model test; energy dissipation effect; water level fluctuation; piston energy dissipation surge chamber

2016- 05- 09

陶永霞(1971—),女,河南開封人,副教授,研究方向水利工程建筑設計及施工．

TV731

A

0559- 9342(2017)03- 0065- 03