CN105442506A - 加快调压室水位波动衰减的阻抗孔及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加快调压室水位波动衰减的阻抗孔及方法，该阻抗孔是在调压室阻抗孔口增加活动挡板和缓冲装置。该方法是让阻抗孔口面积在过渡过程中自动变化，当隧洞中的水流流入调压室时，挡板迅速打开，阻抗孔面积较大，可以很好地反射水锤波；而当调压室内水流开始回流时，活动挡板关闭，缩小回流时阻抗孔的面积，增大水流经过阻抗孔的水头损失，加快调压室水位波动的衰减。通过推导的计算公式，可以确定活动挡板各相关尺寸以及开启角度。本发明在满足其他调保要求的前提下，可以大大加快调压室水位波动的衰减，改善电站的调节品质。

Description

加快调压室水位波动衰减的阻抗孔及方法

技术领域

本发明涉及水电站调压室技术领域，特别是涉及一种用于加快调压室水位波动衰减的阻抗孔形式，适用于水电站调压室。

背景技术

现有的阻抗式调压室的结构如图1所示，包括引水隧洞1和调压室2，在调压室底板7上具有连通引水隧洞1和调压室2的阻抗孔。对于设置超长引水隧洞的水电站，由于引水隧洞的长度过长，管道中水流惯性大。当机组发生甩负荷时，在惯性作用下隧洞中的水流涌入调压室，造成调压室内水位快速上升，而后随着水流流出调压室水位又大幅度下降，在其后发生长时间的周期波动。调压室内水位的大幅波动对调压室的结构及电站的灵活运行极为不利，国内某些长引水式电站由于调压室内的水位波动，限制机组运行，大大影响了电站的经济效益。因此，在满足调保要求的前提下，采取措施加快调压室水位波动衰减的速度，对于水电站调压室的设计以及电站今后灵活运行都具有重大的意义。

调压室阻抗孔尺寸对于调压室内涌浪的衰减具有较大的影响，进出调压室的水流在阻抗孔口处消耗了一部分能量，因此，阻抗孔口越小，越有利于调压室内涌浪的衰减。但同时，阻抗孔尺寸也影响调压室反射水锤波的效果，过小的面积可能会导致甩负荷时机组蜗壳压力过大以及发生水锤穿室的现象。因此，合理的选择调压室阻抗孔面积，需综合考虑调压室反射水锤压力的能力以及对调压室内涌浪的影响。在目前调压室设计中，基本都采用固定大小的阻抗孔面积，无法很好的平衡水锤压力和调压室涌浪之间的矛盾，本发明进一步挖掘优化调压室阻抗孔体型的方法，加快调压室水位波动衰减的速度。

发明内容

发明目的：对于面积固定的调压室阻抗孔形式，难以同时将反射水锤压力与加快调压室水位波动衰减控制在较优的范围内。为了克服固定阻抗孔的这一缺点，确保机组和水电站安全、可靠运行，并加快调压室内水位波动衰减，本发明旨在提供了一种新型加快调压室水位波动衰减的阻抗孔形式：单向限流结构形式的阻抗孔，在满足调保要求的前提下，可以加快调压室内水位波动的衰减。

技术方案：本发明的一种加快调压室水位波动衰减的阻抗孔，包括连通引水隧洞和调压室底部的阻抗孔，所述调压室底部靠近阻抗孔处安装有的转轴，所述转轴上安装有活动挡板，当水流从阻抗孔流入调压室时，所述活动挡板在自动开启，当水流从阻抗孔流出调压室时，所述活动挡板处于闭合状态时，限制水流流出时阻抗孔的面积。

优选地，所述活动挡板靠近转轴的端部轮廓包括圆弧段和直线段，当活动挡板完全开启时，直线段与调压室底板重合，阻止了活动挡板的进一步张开；所述圆弧段用于防止活动挡板旋转时与调压室发生摩擦造成破坏。

优选地，所述挡板与调压室底板之间设有缓冲装置。可以避免关闭时由于速度过快对调压室底板及活动挡板造成破坏。

所述直线段包括相互具有夹角θ的长度n与长度m的直线，

$\mathrm{\θ}=arcsin\left(\frac{ah+\sqrt{a^2{h}^2+({\left(a+b\right)}^2+h^2)(2ab+b^2)}}{{(a+b)}^2+h^2}\right)$

$m=\frac{h(1+cos\mathrm{\θ})}{sin\mathrm{\θ}}$

n＝m.cosθ+h.sinθ

l＝θ.h

式中，a转轴至调压室底板边界的长度，b活动挡板超出调压室底板的长度，l圆弧段弧长，h转轴中心至调压室底板的高度，活动挡板的厚度为2h，活动挡板所能开启的最大弧度为θ。底部三角形可限制活动挡板(3)的进一步开启，弧线避免旋转时对调压室底板(7)造成破坏。

本发明同时提出一种加快调压室水位波动衰减的方法，在所述调压室底部靠近阻抗孔处安装转轴，所述转轴上安装有活动挡板，所述活动挡板在水流从阻抗孔流入调压室时自动开启，在水流从阻抗孔流出调压室时，自动调节阻抗孔口面积。

具体地，阻抗孔口面积在过渡过程中自动变化，当隧洞中的水流流入调压室时，挡板迅速打开，阻抗孔面积较大，可以很好地反射水锤波；而当调压室内水流开始回流时，活动挡板关闭，缩小回流时阻抗孔的面积，增大水流经过阻抗孔的水头损失，加快调压室水位波动的衰减。

本发明的理论依据为：阻抗孔面积的最小值，往往取决于不利工况下机组突然甩负荷，蜗壳末端最大水锤压力值。阻抗孔越大，反射水锤波的能力越强，蜗壳末端最大水锤压力越小，从该角度出发，希望阻抗孔口越大越好，但阻抗孔越大，调压室水位振幅越大，水位波动衰减越慢。工程设计中综合水锤压力、调压室水位振幅以及工程布置等多项因素确定阻抗孔口面积。由调压室的工作原理以及水锤波的传播原理可以看出，优化孔口面积是基于水流流进调压室阶段，即在水流流进调压室阶段，优化的阻抗孔口面积需满足水锤压力和调压室涌浪等要求，而对于水流流出调压室阶段，阻抗孔口的限制相对较小，因此当水流流出调压室时，可以减小阻抗孔口的尺寸，从而减小调压室内水位的振幅，加快调压室内水位波动的衰减。

使用时，本发明的一种水电站调压室阻抗孔，包含调压室及与其相通的输水管道，阻抗孔上部的活动挡板以及与之相连的固定底座与转轴。活动挡板通过转轴以及底座与调压室底板相连接，其结构特点是，所述阻抗孔为单向限流阻抗孔，水流可以自由流入调压室，单向限流阻抗孔是可以限制调压室内水流通过阻抗孔进入引水管内的结构，即水流流入调压室时，阻抗孔口面积保持不变，当水流流出调压室时，阻抗孔口面积缩小，达到加快水位波动衰减的目的。

进一步技术方案：通过推导的计算公式，计算活动挡板各部分尺寸，详见具体实施方式，可实现阻抗孔口面积的自动调节。当活动挡板达到最大开度时阻止其进一步开启，避免活动挡板的开度超过90度致使调压室内水流回流时不能自动关闭；

进一步的是，在活动挡板顶部与调压室底板上设置缓冲装置，起到缓冲作用，避免活动挡板关闭时由于速度过快发生破坏。

单向限流阻抗孔上装有限制调压室内水流通过阻抗孔进入引水管的单向限流结构，所述单向限流结构包括通过转轴和底座与调压室底板相连接的活动挡板，该活动挡板位于调压室内。

下面将以上游阻抗式调压室为例，说明单向限流阻抗孔的工作原理和效果。

当水轮机机组开始甩负荷时，引水系统的水流在惯性的作用下，通过阻抗孔进入调压室。在水压力的作用下活动挡板开启，当活动挡板达到最大开度时，活动挡板三角形底部与调压室地板重合，阻止活动挡板进一步开启；此时的阻抗孔口处于全开的状态，能够很好的反射由于水轮机关闭而传播过来的水锤波，从而起到良好的降压效果。

当水流停止流入调压室之后，在涌浪压力的作用下调压室内的水开始流出调压室。此时活动挡板处于最大开度。由于倾斜角度的存在，在水流以及活动挡板自重的作用下活动挡板开始关闭，当活动挡板关闭快要结束时，缓冲转置开始工作，对活动挡板施加反向作用力。在反向作用力的作用下，活动挡板关闭速度减慢，最后缓慢关闭。

由调压室阻抗孔的水头损失计算公式可知，调压室阻抗孔口的水头损失与阻抗孔的面积平方成反比，与通过阻抗孔的流量的平方成正比。随着阻抗孔面积的减小，水流经过阻抗孔室的水头损失不断增大，调压室内水位波动衰减越快，对调压室稳定越有利。

与现有技术相比，本发明有效地解决了在确保有效反射水轮机导叶关闭引起的水锤压力的同时加快调压室水位波动哀减的问题，这对调压室体型的进一步优化，电站调节品质的提高以及灵活稳定运行，特别是对含有超长引水系统的水电站，具有十分显著的效果。

附图说明

图1为现有的阻抗式调压室的结构示意图；

图2为本发明在调压室活动挡板处于开启状态时的调压室正视图；

图3为本发明在调压室活动挡板处于开启状态时的调压室俯视图；

图4为本发明在调压室活动挡板处于关闭状态时的调压室正视图；

图5为本发明在调压室活动挡板处于关闭状态时的调压室俯视图；

图6为本发明调压室阻抗孔局部放大图；

图7为本发明阻抗孔口相关尺寸示意图；

图8为本发明实施例的模拟输水系统布置示意图；

图9为本发明实施例不同阻抗孔口流出面积下调压室涌浪变化过程线；

图10为本发明实施例不同阻抗孔口流出面积下进出阻抗孔流量变化过程线；

图11为本发明实施例不同阻抗孔口流出面积下蜗壳末端压力变化过程线；

图12为本发明实施例不同阻抗孔口流出面积下机组转速变化过程线；

图中：引水隧洞1，调压室2，活动挡板3，转轴4，缓冲装置5，阻抗孔6，调压室底板7。

具体实施方式：

本实施例的加快调压室水位波动衰减的阻抗孔形式如图2所示，在调压室底板处设置阻抗孔6，在阻抗孔6上布置限制调压室水流回流的活动挡板3，通过改变活动挡板的开启角度调节阻抗孔的大小，以调节回流时的阻抗孔面积，增大水流通过阻抗孔的水头损失，加快调压室内水位波动衰减的速度，以利于调压室的稳定运行。

如图6所示，活动挡板通过转轴和底座与调压室底板相连。活动挡板底部由曲线l和直线n组成，当活动挡板完全开启时，此时直线n正好与调压室底板重合，阻止了活动挡板的进一步张开；曲线l可以防止活动挡板旋转时与调压室发生摩擦造成破坏。

如图7所示，转轴至调压室底板边界的长度为a，活动挡板超出调压室底板的长度为b，转轴中心至调压室底板的高度为h，活动挡板的厚度为2h。当活动挡板开启到挡板底角与阻抗孔口边缘齐平时，此时的开度即为最大开度θ，挡板底部直线n正好与调压室底板相重合。由三角函数关系式可知：又显然sinθ为正值，因此可以求出θ值。

$\mathrm{\θ}=arcsin\left(\frac{ah+\sqrt{a^2{h}^2+({\left(a+b\right)}^2+h^2)(2ab+b^2)}}{{(a+b)}^2+h^2}\right)$

由局部详图可得m·sinθ＝h(1+cosθ)，进而可以得到

$m=\frac{h(1+cos\mathrm{\θ})}{sin\mathrm{\θ}}$

从而可求得

n＝m.cosθ+h.sinθ

对于弧长l，随着活动挡板的转动可知弧长l所对应的弧度为θ，所对应的半径为转轴的高度h，由弧长公式可求得弧长l的长度

l＝θ.h

当活动挡板快要关闭时，在阻抗孔口设置缓冲装置，避免活动挡板关闭过快与调压室底板碰撞发生破坏。

如图3所示，当机组发生甩负荷工况时，水轮机导叶机组关闭，引水隧洞中的水流在惯性的作用下继续往前流动。由于导叶关闭，水流通过调压室阻抗孔流入调压室内。此时阻抗孔上的活动挡板在水压的作用下开启，当开到一定程度时，尾部挡板便与调压室地板接触，防止活动挡板进一步开启，以免开度超过90度不能在水流流出时自动关闭。

如图4所示，当隧洞内的水流停止流入调压室时，调压室水位达到最高，在涌浪压力的作用下调压室内的水流开始流出调压室，此时活动挡板处于最大开度状态。在水流的冲击以及活动挡板的自重的作用下，活动挡板开始关闭。在活动挡板快要关闭的时候，缓冲转置开始工作，对挡板施加反向作用力，减缓活动挡板关闭速度，防止由于关闭速度过快在关闭结束时由于碰撞而发生破坏。当活动挡板关闭后，相比流入时阻抗孔面积减小，由调压室阻抗孔的水头损失与阻抗孔面积的平方成反比，因此加大了水流流出阻抗孔的水头损失，加快了调压室内水位波动的衰减，更加有利于调压室的稳定运行。

某电站为含长引水隧洞的水电站，采用“一洞三机”的布置形式，布置简图如图9所示。引水发电系统由进水口、长引水隧洞、调压室、压力管道等部分组成。水库进水口到调压室的距离为18200.00m，调压室到1#分岔点距离为903.00m，1#分叉点到2#分岔点的距离为21m，1#分叉点到1#机组距离为93.56m，1#机组到下水库距离为41.00m，2#分叉点到2#机组距离为84.56m，2#机组到下水库距离为41.00m，2#到3#机组距离为82.25m，3#机组到下水库距离为41.00m。调压室阻抗孔直径经优化选为5.00m，大井直径为25.00m。输水系统选用7.9m直径，糙率选取平均糙率。电站装设3台混流式水轮发电机组，单机引用流量75.80m³/s，额定水头253.00m，额定转速为250r/min。

工况：上游正常蓄水位，下游设计洪尾水位，三台机组带额定负荷运行，同一时间三台机组同时甩额定负荷；

通过公式

$sin\mathrm{\θ}=\frac{ah+\sqrt{a^2{h}^2+({\left(a+b\right)}^2+h^2)(2ab+b^2)}}{{(a+b)}^2+h^2}$

$m=\frac{h(1+cos\mathrm{\θ})}{sin\mathrm{\θ}}$

n＝m.cosθ+h.sinθ

l＝θ.h

确定活动挡板的相关尺寸。

目前研究过渡过程一般以数值模拟为主，本实施例利用较为成熟的水电站过渡过程计算软件对该工况进行模拟，通过研究调压室涌浪及进出调压室阻抗孔流量变化过程，对该发明在加快调压室水位波动衰减的作用中的实用性作进一步分析。

本应用实例中通过改变b的大小来调节流入与流出时阻抗孔面积大小的比值，即采用不同的调压室阻抗孔口流出面积进行该过渡过程工况的模拟，具体计算结果如图9及图10所示。

如图9所示，调压室阻抗孔口流出面积分别取为流入面积(固定值)的1/1、1/2、1/3、1/4、1/5。当机组开始甩负荷时，此时引水隧洞中的水流流入调压室。由于在水流流入调压室时没有改变阻抗孔的面积，因此不改变通过阻抗孔流入调压室内的水流流量，如图9及图10所示，开始时，隧洞中的水流涌入调压室，此时调压室水位上升，通过阻抗孔的水流为正。当时间到达263.40s时，此时阻抗孔的流量变为0.00m³/s，调压室涌浪到达最高水位为2114.67m。由图11及图12可以看出，机组蜗壳末端最大压力及机组最大转速上升率均未变化。

此后通过调压室的流量开始由正变为负值，调压室涌浪开始降低。由于活动挡板关闭以后，阻抗孔的面积发生了变化，因此，通过阻抗孔的流量也相应的发生了变化，如图10所示。由图10可以看出，随着阻抗孔面积的变化，流出阻抗孔的最大流量及出现时间也发生了变化。随着阻抗孔面积的减小，流出阻抗孔的最大流量也逐渐减小，因此最大流量出现的时间相应的提前。随着流出调压室时阻抗孔面积的减小，调压室涌浪波动也逐渐减小，且在以后的波动周期中，波动衰减也更加快速，说明本发明通过改变调压室水流回流时阻抗孔面积的大小来加速调压室水位波动的衰减是切实可行且效果显著的。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种加快调压室水位波动衰减的阻抗孔，包括连通引水隧洞和调压室底部的阻抗孔，其特征在于：所述调压室底部靠近阻抗孔处安装有的转轴，所述转轴上安装有活动挡板，当水流从阻抗孔流入调压室时，所述活动挡板在自动开启，当水流从阻抗孔流出调压室时，所述活动挡板处于闭合状态时，限制水流流出时阻抗孔的面积。

2.根据权利要求1所述的加快调压室水位波动衰减的阻抗孔，其特征在于：所述活动挡板靠近转轴的端部轮廓包括圆弧段和直线段，当活动挡板完全开启时，直线段与调压室底板重合，阻止了活动挡板的进一步张开；所述圆弧段用于防止活动挡板旋转时与调压室发生摩擦造成破坏。

3.根据权利要求2所述的加快调压室水位波动衰减的阻抗孔，其特征在于：所述挡板与调压室底板之间设有缓冲装置。

4.根据权利要求2所述的加快调压室水位波动衰减的阻抗孔，其特征在于：所述直线段包括相互具有夹角θ的长度n与长度m的直线，

$\mathrm{\θ}=arcsin\left(\frac{ah+\sqrt{a^2{h}^2+({\left(a+b\right)}^2+h^2)(2ab+b^2)}}{{(a+b)}^2+h^2}\right)$

$m=\frac{h(I+cos\mathrm{\θ})}{sin\mathrm{\θ}}$

n＝m·cosθ+h·sinθ

l＝θ·h

式中，a转轴至调压室底板边界的长度，b活动挡板超出调压室底板的长度，l圆弧段弧长，h转轴中心至调压室底板的高度，活动挡板的厚度为2h，活动挡板所能开启的最大弧度为θ。

5.一种加快调压室水位波动衰减的方法，其特征在于：在所述调压室底部靠近阻抗孔处安装转轴，所述转轴上安装有活动挡板，所述活动挡板在水流从阻抗孔流入调压室时自动开启，在水流从阻抗孔流出调压室时，自动调节阻抗孔口面积。

6.根据权利要求5所述的加快调压室水位波动衰减的方法，其特征在于：阻抗孔口面积在过渡过程中自动变化，当隧洞中的水流流入调压室时，挡板迅速打开，阻抗孔面积较大，可以很好地反射水锤波；而当调压室内水流开始回流时，活动挡板关闭，缩小回流时阻抗孔的面积，增大水流经过阻抗孔的水头损失，加快调压室水位波动的衰减。