CN105332363A - 一种可调压力芯袋式气垫调压室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调压力芯袋式气垫调压室，包括下端和压力水道连通的调压室，其特征在于，所述调压室内设置有弹性材料制得的芯袋，所述芯袋内充有压缩气体，芯袋上部和调压室内腔壁相贴设置。本发明能使波动水位快速衰减，同时芯袋内气压可调控，具有工程造价低、防漏气性好、消能调压效果更优且便于检修维护等优点。

Description

一种可调压力芯袋式气垫调压室

技术领域

本发明属于水力发电工程领域，具体涉及一种可调压力芯袋式气垫调压室。

背景技术

水力发电工程中，一般需要采用压力管道将水库蓄水引至水轮机组进行发电，有时也需要通过尾水隧洞将发电尾水排向下游河道。在发电过程中，当水轮机组发生飞逸突然关闭阀门时，会在压力管道中造成水锤效应，处理不当容易导致引水管道或尾水隧洞发生强烈的振动，甚至造成破坏。水锤效应是一种形象的说法。它是指水轮机在突丢或突增负荷时，引水管道或尾水隧洞的流速发生急剧变化，引起液体内部压强产生迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在引水管道或尾水隧洞上好像锤击一样，故称为水锤。当发电机组发生飞逸突然关闭阀门或在较短时间内起动机组出现水锤时，管道内均要产生强大的附加压力，影响电站的正常运行，严重时会危及电站厂房或引、排水系统的结构安全。

现有水力发电领域中，一般通过设置调压井或者调压室的方式以减小水锤作用的范围和强度。其中气垫式调压室技术，是指在靠近厂房的引水道末端设置的上端密封式气垫调压室，密封的调压室内充满气体，当发生水锤效应时，调压室内受水体动能作用形成水位波动。在水位波动过程中，调压室封闭顶部的气体压缩或膨胀，将导致气体压力增加或减小，而促使隧洞里的水流加速或减少。它不受地形限制，可尽量靠近厂房，以减小水锤压力。与调压井技术相比，具有可减小建筑物设置高度、水锤反射条件好、压力变化缓慢等优点，特别适合深埋于地下的引水道式地下水电站或抽水蓄能式地下电站厂房。

目前传统的气垫式调压室，由于封闭的空气直接和水面接触，主要依靠密封气体压缩、热量改变消耗水体的动能来衰减波动，实现水面平稳的目的。同时，气垫调压室密封壳体往往采用混凝土材料，其抗拉能力较低，在巨大的水击压力作用下，壳体内要产生较大拉力，容易导致混凝土材料开裂，降低气垫调压室的密封作用，最终使得调压室的气垫功能受到削弱、严重时甚至完全消失，不利于水轮机安全运转。为了克服混凝土抗拉能力低，受到气垫压力作用壳体容易开裂的弱点，常在调压室混凝土壳体内衬钢板来提高调压室结构的抗拉能力，增强气垫的可靠性。但是，采用内衬钢板形成气垫调压室封闭薄壳，工程成本高，施工技术复杂，长期受气液二相物质的交替作用，容易锈蚀，影响结构的耐久性。同时在压缩气体挤压作用下非常容易造成缺陷处局部应力集中以导致破坏，破坏漏气后维修困难，耗时长，一般检修充气需2～4天，极大地影响厂房机组发电。

所以如何设计出一种能使波动水位快速稳定、工程造价低、防漏气性好、消能调压效果更优且便于检修维护的气垫式调压室，即成为本技术领域有待解决的难题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能使波动水位快速平稳、工程造价低、防漏气性好、消能调压效果更优且便于检修维护的可调压力芯袋式气垫式调压室。

一种可调压力芯袋式气垫调压室，包括下端和压力管道连通的调压室，其特征在于，所述调压室内设置有橡胶材料制得的芯袋，所述芯袋内充有压缩气体，芯袋上部和调压室内腔壁相贴设置。

这样，芯袋充气后整体构成一个弹性体并和调压室内腔壁相贴，当发生水锤现象时，水位波动产生的压力变化，通过芯袋再均匀作用到调压室内腔壁上，芯袋自身是柔性的弹性材料，能够很好地适应变形，不存在应力集中和受拉开裂等不良现象。芯袋密封条件非常好，即使混凝土薄壳开裂也不会使芯袋气垫产生漏气，从而保证调压室的正常使用。因此，芯袋式气垫式调压室不仅防漏气效果好，还可降低对调压室内壁材质的要求，降低工程造价。

作为优化，芯袋下端位于和压力水道相通的水面上。这样，水压波动直接作用于芯袋，再通过芯袋作用到调压室内腔壁上，可以使得上述由芯袋产生的各种作用效果能够达到最优；同时芯袋下端直接和水面接触，能够更好地缓释水面波动的剧烈程度，避免水面波动过大造成的不利影响。

作为优化，所述芯袋采用橡胶材料制得。这样，可以更好地保证芯袋弹性，同时成本低廉，方便制造。

作为优化，所述调压室内壁为整体呈球冠形结构或者为上部呈上凸的球冠形下部呈和球冠形相切的圆柱形结构，所述芯袋整体形状和调压室内腔形状匹配且原始状态时尺寸小于调压室内腔尺寸。

这样，在电站机组处于正常状态下压力管道内不产生水击时，芯袋与调压室内壁完全分离，气垫压力由芯袋单独承担，调压室内壁不受压缩气体的作用，提高了调压室的耐久性。

作为优化，所述芯袋可以是多个叠加的设置形式。这样，可以根据实际需要方便地对芯袋数量进行增减调整，使其和实际情况更加适宜。

作为优化，所述调压室内腔壁采用钢筋混凝土或预应力混凝土材料制得。这是由于设置芯袋后，对调压室内腔壁的无防漏气要求，调压室采用成本更低的钢筋混凝土或预应力混凝土材料即可满足强度要求，调压室内壁无需再采用成本高昂的钢板衬砌，极大地降低了成本。

作为优化，芯袋内注入压缩气体的压力由以下公式计算得到，

式中：p_注—注入压缩气体的压力，单位kPa；p—水位波动表面压力，即橡胶芯袋式气垫最大气体压力，单位kPa；Δp—橡胶芯袋压缩气体压力增量，单位kPa；γ—水的容重，单位为kN/m³；D—调压井直径，单位m；E_a—压缩气体体积变形模量，单位kPa；E_x—橡胶芯袋弹性模量,单位kPa；δ—橡胶芯袋壁厚，单位m；z—同条件无封闭调压井水位波动值，单位m；{z}—橡胶芯袋式气垫调压井水位波动容许值，单位z；Δε_x—橡胶芯袋面积应变增量。

这样，采用上述公式对芯袋注入压力，可以准确的确定芯袋尺寸，保障未产生水击时调压室内壁结构不受气垫压力的作用、水击产生后调压室内的最大水位波动值在规范容许的范围以内，确保电站机组运行安全。在公式推导过程中，假定水位波动发生前橡胶芯袋底部与水面完全接触，并忽略了钢筋混凝土井壁结构变形和橡胶芯袋的自重。

下面对本发明的原理作进一步详细说明，本发明中在调压室内采用弹性芯袋形成气垫，芯袋内需预先灌入压缩气体，使其在调压室内水位波动过程中具有足够的能量抵抗水位升降，并使水位快速恢复至稳定状态，减小水位波动对引水管道或尾水隧洞不利影响，保障水电站机组正常工作与安全运行。由于受到调压室内水位波动的影响，橡胶芯袋内压缩气体的体积不断发生变化，体积变化也将引起气体压力的改变。当发电机出现飞逸事故突然关闭引水管道末端的阀门时，水击压力能很快传递至调压室，使调压室内水位上升，橡胶芯袋受到挤压，体积逐渐缩小，气体压力随之升高，水位上升至最高位置时气压出现峰值。在此过程中上游管道(即压力管道)内的水压力逐渐减小，最终低于调压室的水压力，在压力差的作用下，调压室内的水体又开始流入管道，其水位回落气体压力逐渐减小，当调压室与管内水体压相等时，在惯性作用下水体的流动仍不会停止，橡胶芯袋内的气压仍在减小，这种变化将继续到水位波动至低谷时为止，橡胶芯袋内的气体压力出现最低值。然后，在管道水压的作用下，水体又反向由管道流入调压井，使调压井内水位重新开始上升，气体压力又逐渐加大直至水位波动到峰值，这样周而复始，直至波动水位停止。

本发明与传统气垫调压室不同的是橡胶芯袋式气垫调压室中作用在顶部封闭壳体的压力不是由气体直接传递的，而是通过橡胶芯袋传递到调压室内腔壁的薄壳上。当调压室内水位发生波动时，水面挤压橡胶芯袋使其体积减小，芯袋内气体受到压缩，气压增高，若不受外界约束，在芯袋内气压的作用下，芯袋的橡胶会产生拉力，其容积尺寸变大。但芯袋内气压升高是由水面挤压所致，橡胶芯袋的容积不增，反而减小。尽管如此，由于橡胶自身弹性模量值较小，橡胶芯袋仍能够紧贴在薄壳上，在径向将自身承受的气压增量均匀地传递给圆筒薄壳，完全由薄壳进行平衡，在此过程中芯袋作为垫块起传递气压荷载的作用。在轴向，橡胶芯袋气压由顶部薄壳(波动水面)和橡胶芯袋轴向弹性变形力共同承担。当水位降低时，压缩气体逐渐膨胀，气压相应降低，橡胶芯袋传递至薄壳的压力也随之减小，直至消失。

这样，由于橡胶芯袋的弹性模量低、柔软性好，其表面形状与水面和封闭薄壳围成的形状完全相同，自身主要起盛装压缩气体容器的作用。橡胶芯袋式气垫调压室的顶部薄壳不兼有盛气的功能，对其密闭性要求不高，结构制作不再需要内衬钢板，因此可以采用较为廉价的钢筋混凝土或预应力混凝土材料，降低了工程成本。另外橡胶芯袋材质柔软又便于拆换，可以方便快捷的进行维护和检修。

故相比于现有技术，本橡胶芯袋式气垫调压室具备以下优点：1、本发明较传统气垫式调压室的水位波动可以更快恢复平稳。2、调压室边壁不需钢板衬砌，工程造价低。3、橡胶芯袋材质柔软又便于拆换，可以方便快捷的进行维护和检修。4、橡胶芯袋能被制作成若干个独立的小袋，可根据上下游具体水位的要求选择芯袋数量，适用性更强。

综上所述，本发明能使波动水位快速稳定，具有工程造价低、防漏气性好、消能调压效果更优且便于检修维护等优点。

附图说明：

图1为本发明具体实施仅采用一个芯袋情况时的结构示意图。

图2为本发明具体实施采用了多个芯袋情况时的结构示意图。

附图中箭头表示压力水道中的水流方向。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式1：如图1所示，一种可调压力芯袋式气垫调压室，包括下端和压力水道连通的调压室，所述调压室内设置有弹性材料制得的芯袋1，所述芯袋1内充有压缩气体2，芯袋上部和调压室内腔壁3相贴设置。

这样，芯袋充气后整体构成一个弹性体并和调压室内腔壁相贴，当发生水锤现象时，水位波动产生的压力变化，通过芯袋再均匀作用到调压室内腔壁上，芯袋自身是柔性的弹性材料，能够很好地适应变形，不存在应力集中和受拉开裂等不良现象，密封条件非常好，防漏气效果好，即使混凝土薄壳开裂也不会使芯袋气垫产生漏气影响调压室正常使用，因此，可降低对调压室内壁材质的要求，减少工程造价。

本具体实施方式中，芯袋下端位于和压力水道相通的水面4上。这样，水压波动直接作用于芯袋再通过芯袋作用到调压室内腔壁上，可以使得上述由芯袋产生的各种作用效果能够达到最优；同时芯袋下端直接和水面接触，能够更好地缓释水面波动的剧烈程度，避免水面波动过大造成的不利影响。

本具体实施方式中，所述芯袋1采用橡胶材料制得。这样，可以更好地保证芯袋弹性，同时成本低廉，方便制造。当然具体实施时也可以采用其他弹性材料制得。

本具体实施方式中，所述调压室内壁为整体呈球冠形结构或者为上部呈上凸的球冠形下部呈和球冠形相切的圆柱形结构，所述芯袋整体形状和调压室内腔形状匹配且原始状态时尺寸小于调压室内腔尺寸。

这样，在电站机组处于正常状态下，水击未产生时芯袋与调压室内壁完全分离，气垫压力由芯袋单独承担，调压室内壁不受压缩气体的作用，提高了调压室的耐久性。

本具体实施方式中，所述调压室内腔壁采用钢筋混凝土或预应力混凝土材料制得。这是由于设置芯袋后，对调压室内腔壁无防漏气要求，调压室，采用成本更低的钢筋混凝土或预应力混凝土材料即可满足强度要求，内壁无需再采用成本高昂的钢板衬砌，极大地降低了成本。

具体实施时，所述压缩气体优选采用空气。这样成本便宜，且方便实施。

本具体实施方式中，芯袋内注入压缩气体的压力由以下公式计算得到，

式中：p_注—注入压缩气体的压力，kPa；p—水位波动表面压力，即橡胶芯袋式气垫最大气体压力，kPa；Δp—橡胶芯袋压缩气体压力增量，kPa；γ—水的容重，单位为kN/m³；D—调压井直径，m；E_a—压缩气体体积变形模量，kPa；E_x—橡胶芯袋弹性模量,kPa；δ—橡胶芯袋壁厚，m；z—同条件无封闭调压井水位波动值，m；{z}—橡胶芯袋式气垫调压井水位波动容许值，z；Δε_x—橡胶芯袋面积应变增量。

这样，采用上述公式对芯袋注入压力，可以准确地确定芯袋尺寸，保障未产生水击时调压室内壁结构不受气垫压力的作用，水击产生后调压室内的最大水位波动值在规范容许的范围以内，确保电站机组运行安全。在公式推导过程中，假定水位波动发生前橡胶芯袋底部与水面完全接触，并忽略了钢筋混凝土井壁结构变形和橡胶芯袋的自重。

另外，具体实施时，在上述实施方式的基础上，还可以将所述芯袋设置为多个叠加的形式，其他结构不变，具体参见图2，图2中标号2表示压缩气体，标号3表示调压室内腔壁，标号4表示水面，标号5表示几个叠加芯袋。这样，可以根据实际需要方便地对芯袋数量进行增减调整，使其和实际情况更加适宜。

Claims (7)

1.一种可调压力芯袋式气垫调压室，包括下端和压力水道连通的调压室，其特征在于，所述调压室内设置有弹性材料制得的芯袋，所述芯袋内充有压缩气体，芯袋上部和调压室内腔壁相贴设置。

2.如权利要求1所述的可调压力芯袋式气垫调压室，其特征在于，芯袋下端位于和压力水道相通的水面上。

3.如权利要求1所述的可调压力芯袋式气垫调压室，其特征在于，所述芯袋采用橡胶材料制得。

4.如权利要求1所述的可调压力芯袋式气垫调压室，其特征在于，所述调压室内壁为整体呈球冠形结构或者为上部呈上凸的球冠形下部呈和球冠形相接的圆柱形结构，所述芯袋整体形状和调压室内腔形状匹配且原始状态时尺寸小于调压室内腔尺寸。

5.如权利要求1所述的可调压力芯袋式气垫调压室，其特征在于，所述芯袋为单个或为多个叠加。

6.如权利要求1所述的可调压力芯袋式气垫调压室，其特征在于，所述调压室内腔壁采用钢筋混凝土或预应力混凝土材料制得。

7.如权利要求2所述的可调压力芯袋式气垫调压室，其特征在于，芯袋内注入压缩气体的压力由以下公式计算得到，

式中：p_注—注入压缩气体的压力，单位kPa；p—水位波动表面压力，即橡胶芯袋式气垫最大气体压力，单位kPa_；Δp—橡胶芯袋压缩气体压力增量，单位kPa；γ—水的容重，单位为kN/m³；D—调压井直径，单位m；E_a—压缩气体体积变形模量，单位kPa；E_x—橡胶芯袋弹性模量,单位kPa；δ—橡胶芯袋壁厚，单位m；z—同条件无封闭调压井水位波动值，单位m；{z}—橡胶芯袋式气垫调压井水位波动容许值，单位z；Δε_x—橡胶芯袋面积应变增量。