阻抗式調壓室阻抗孔面積影響水力計算研究

葉星伯，鞠小明，2

（1.四川大學水利水電學院，四川 成都610065；2.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都610065）

1 引言

水電站調壓室是壓力引水道系統中的重要水工建筑物，其主要作用是減少有壓引水管道系統中的水錘壓力，改善機組在負荷變化時的運行條件[1]。許多學者對阻孔式調壓室進行了研究，包括水力試驗研究和數值模擬計算研究，大多涉及阻抗系數的計算方法及理論研究[2-6]。水電站調壓室設計規范中要求阻抗式調壓室的阻抗孔面積與調壓室底部引水道面積之比一般不能小于15%，而實際工程中采用的面積大多遠大于15%的要求。本文結合某水電站工程實例，通過改變阻抗孔口面積與引水管道面積的比值，研究阻抗孔尺寸對蝸殼末端最大水錘壓力、調壓室最高涌波水位以及水位波動振幅及衰減度的影響，試圖找出該工程最合適的阻抗孔面積與底部引水道面積比值（以下簡稱β值）的合理區間。

2 研究方法簡介

阻抗式調壓室設置阻抗孔的目的一方面是考慮限制最高涌浪水位，另一方面需要考慮過小的阻抗孔面積不利于反射高壓管道傳來的水錘壓力波，因此合理的阻抗面積是既能夠限制調壓室的最高涌浪水位又可以滿足壓力管道和水輪機蝸殼最大水錘壓力的控制要求。研究阻抗孔面積對水錘壓力和調壓室水位波動的影響，需要進行電站有壓引水系統的瞬變流計算。基于彈性水錘理論的瞬變流基本方程求解方法和邊界條件方程可參考有關文獻[7-8]。

運動方程：

連續方程：

其中，H為壓頭；x為從管段左端起算的距離；g為重力加速度；V為流速；f為沿程損失系數；a為水錘波速；D為管徑；t為時間。

3 工程算例

3.1 工程簡介

某水電站工程位于四川省雅安市寶興縣境內，是具有日調節水庫的引水式電站。共安裝2臺21 MW的混流式水輪發電機組，設計水頭為83 m。水庫上游正常蓄水位為1 159.00 m，校核洪水位1 157.57 m，死水位1 153.00 m，調節庫容64.6萬m3，其引水隧洞總長7 138.00 m，設計引用流量為58 m3/s，壓力管道為一管雙機的供水方式，采用埋管式布置，主管長度248.62 m，直徑3.80 m，支管長度27.50 m，直徑2.75 m。正常尾水位1 058.86 m，校核洪水尾水位1061.11 m，最低尾水位1 058.35 m，調壓室采用阻抗式，井筒直徑9 m，頂拱高程為1 196.61 m，底板高程為1 129.62 m，阻抗孔面積為4.90 m2。計算工況取上游水庫正常蓄水位1 159.00 m，對應下游尾水位1 058.86 m。研究在2臺機組同時甩負荷的情況下，改變阻抗孔尺寸對蝸殼末端最大水錘壓力、調壓室涌波水位、調壓室波動水位衰減度的影響。

3.2 阻抗孔面積研究

水電站調壓室阻抗孔與底部引水管道比值通常在15%～50%之間，設計要求不應低于15%，此工程底部引水管道的面積為11.34 m2，所以取阻抗孔面積如表1所示，在β為15%左右加密，以驗證是否存在水錘壓力突變臨界點，再對13組數據進行對應分析，分析水力過渡過程變化趨勢，選擇最佳比值區間，計算成果如表2所示。

表1 β值與阻抗孔面積

表2 β值與計算數據

4 計算成果分析

4.1 阻抗孔尺寸與蝸殼末端最大水錘的關系

分析計算成果表中的β值和水輪機蝸殼最大水錘壓力的關系，如圖1所示。由表1和圖1可以看出，隨著阻抗孔面積的增大，蝸殼末端最大水錘壓力逐漸遞減。由表1中數據可以得出，孔口面積越小，水錘壓力惡化得越明顯。由表3可以看出，當β從0.14變化到0.13時，其蝸殼末端最大水錘壓力變化值為7.37 m，相比于表中其他節點的變化幅度出現了明顯的躍升，說明當阻抗孔口面積與調壓室底部面積之比小于15%時，蝸殼水錘壓力對孔口面積更加敏感，這進一步證實了設計規范要求阻抗孔口面積比不應低于15%的合理性。

表3 β在0.15周圍變動時最大水錘壓力變化情況

圖1 蝸殼末端最大水錘壓力隨β值變化情況

4.2 阻抗孔尺寸與調壓室涌波水位的關系

不同尺寸的阻抗孔對調壓室最高、最低涌波水位關系的影響見表2。由表2可以看出，隨著孔口面積不斷增大，調壓室的最高涌波水位逐漸升高，最低涌波水位逐漸降低，最高和最低涌波水位之間波動幅度變大；但隨著β值變大，上述數據變化趨勢減緩。

4.3 阻抗孔尺寸與調壓室斷面波動振幅差的關系

不同β值下，調壓室第一與第二涌波水位的差值關系見表2。β值越大，調壓室水位波動振幅越大，當β值等于0.15時，振幅差等于4.77 m，當β等于0.55時，振幅差為13.03 m，當β值超過0.45時，振幅差發生的變化極其微小，基本小于0.5 m，說明β大于0.45后阻抗孔口作用很弱，調壓室水位波動的過程非常相似。衰減度在β值等于0.15～0.17時達到峰值64%，衰減度都隨β值增大而減小。

5 結論

本文對某水電站工程阻抗式調壓室的阻抗孔口面積與調壓室底部引水管道面積比值進行了數值模擬計算分析，通過研究得到以下幾點結論：

（1）隨著β值增大，蝸殼末端最大水錘減小，當β＜0.15時，阻抗孔口面積對水錘壓力變化十分敏感，驗證了水電站調壓室設計規范要求阻抗孔口面積與底部過流通道面積比＞15%的要求。

（2）當β＞0.5時，阻抗孔口的阻抗作用明顯減弱，在滿足保證調節保證要求的基礎上，兼顧最大水錘壓力與調壓室最高涌波水位的關系，算例工程的合理β值應在0.4～0.45之間。