CN105804031B - 一种新型尾水隧洞通气孔口结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型尾水隧洞通气孔口结构，包括通气孔口、活动挡板、活动连杆、弹簧、缓冲装置、环形防滑动块体和卡槽。通气孔口为双向通气孔口，当尾水隧洞中出现负压时，气体从外界进入通气孔口，气流会顶起活动挡板，活动挡板带动活动连杆沿斜上方运动，此时活动挡板完全打开，进气面积达到最大，补气速度较快，可以及时缓解尾水隧洞的负压；当尾水隧洞排气时，反向气流的压力将会使活动挡板沿斜下方运动，活动挡板与卡槽咬合，通气孔口紧闭，气流从活动挡板上预留的圆孔排出，排气速度较为缓慢，大大降低了气团排出孔口时的瞬变压力。本发明在满足其他安全可靠性能要求的前提下，可以大大缓解进气时隧洞中的负压以及排气时的撞击压力，特别是对于水电站尾水隧洞及城市管网，效果显著。

Description

一种新型尾水隧洞通气孔口结构

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，特别是涉及一种新型尾水隧洞通气孔结构，适用于水电站尾水隧洞及城市管网。

背景技术

大型引水式水电站建设前期需建设规模庞大的施工导流隧洞，而设计时常将施工导流洞与水电站尾水系统相结合，工程后期将部分导流洞改作发电尾水隧洞。当下游梯级水库水位接近洞顶时，尾水隧洞内的初始压力较小，电站发生过渡过程时，尾水道中的压力及涌浪变化均较剧烈，可能会导致位置较高处的尾水隧洞中产生低压，如果低压达到汽化压力，洞中即可能产生液柱分离现象，进一步导致液柱弥合从而造成巨大的压力，将严重危及建筑物的安全。设计中为了避免发生该类事故，常在尾水隧洞顶部高点处设置通气孔，通过补气的方式来减缓尾水隧洞中压力的降低，此时通气孔处于进排气的状态。但同时也带来了通气孔进排气及尾水隧洞中出现局部气液两相流的问题，进入管道的气团经过压缩、膨胀，再排出孔口时带来较大瞬变压力，并伴随喷水现象，整个瞬态过程较为复杂，出现了一些新的水动力学及热力学问题，如果设计或运行不当，该瞬态过程中会产生较为严重的压力波动，轻者影响机组稳定运行，严重的甚至会导致隧洞破坏的恶性事故，造成难以挽回的损失。

当通气孔处于进排气状态时，通气孔的面积对于尾水隧洞的最低负压和最高正压具有较大影响。当通气孔面积较大时，进排气过程均较快，进气快有利于隧洞中负压的有效缓解，排气快产生的撞击压力较大；当通气孔面积较小时，进排气过程均较慢，不利于隧洞中负压的缓解，但排气结束时刻的撞击压力较小。因此，合理的选择通气孔的面积大小，需综合考虑尾水隧洞中的最低负压和通气孔排气时的较大正压。在目前的设计中，基本都采用固定大小的通气孔面积，无法很好的平衡最低负压和最大正压之间的矛盾，本发明使用了一种新的通气孔形式，很好的协调了尾水隧洞的最低负压和瞬时最大正压。

发明内容

发明目的：对于简单的通气孔口，通气孔进气可以有效缓解隧洞中的负压，但空气排出时伴随较大的撞击压力，其来源于被空气分隔的液柱重新弥合，发生直接水锤现象，将产生可能破坏结构的巨大压力。本发明旨在提供了一种尾水隧洞通气孔口结构：面积可调的新型通气孔装置，可有效控制尾水隧东内的压力振荡。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种新型尾水隧洞通气孔口结构，包括位于尾水隧洞上的通气孔，所述通气孔上安装有用于尾水隧洞进气且限制排气的单向阀，所述单向阀与通气孔呈Y形布置。

作为优选，所述通气孔具有竖直段和水平段，所述竖直段与尾水隧洞的顶部连接，所述水平段连接在所述竖直段的顶端，所述单向阀安装在水平段上。

作为优选，所述单向阀包括依次连接的活动挡板、活动连杆和弹簧，所述活动挡板与进气方向的夹角为锐角。

作为优选，所述单向阀与通气孔的汇合处具有用于限位活动挡板的卡槽，所述卡槽内安装有卡槽缓冲装置。

作为优选，所述单向阀内具有用于导向活动连杆的环形防滑动块体和润滑装置。可以防止活动连杆发生侧滑并减小摩擦。

作为优选，所述活动挡板上预留有用于排气的圆孔。用于排气时气流通过，缩小排气时面积。

作为优选，所述弹簧与单向阀之间还设有弹簧缓冲装置。用于防止进气时活动挡板带动活动连杆快速作斜向上运动引起的损坏。

作为优选，当进气气流风速大于v₀时，活动挡板即可完全开启，此时为通气孔口全面积进气

式中，活动挡板为长方体，a为长方体边长，h为长方体高，ρ₁为活动挡板密度，d为预留圆孔直径；连杆是圆柱体，D为连杆直径，L为连杆长，ρ₂为连杆密度；k为弹簧劲度，v为进气气流风速，ρ₀为气流密度，Δx为活动挡板完全开启时弹簧的伸缩长度，θ为活动挡板与水平段的夹角。

作为优选，所述通气孔口为双向通气孔口，当尾水隧洞中出现负压，气体从外界进入通气孔口，气流作用于活动挡板，此时活动挡板完全打开，通气孔口全面积打开，气流进入尾水隧洞；当尾水隧洞排气时，在气流及自重的作用下，活动挡板关闭，气流从活动挡板上预留的孔口排出，缩小气流通过的面积，达到降低气团排出孔口时的瞬变压力的目的

本发明的理论依据为：通气孔面积越大，进气过程越快，减缓尾水隧洞负压效果越好。从该角度出发，希望通气孔面积越大越好。但是通气孔面积越大，排气过程也越快，产生的撞击压力也相对较大。工程设计中综合考虑尾水隧洞最大负压、最大撞击压力以及工程布置等多项因素确定通气孔面积。由尾水隧洞通气孔的工作原理及以上说明可以看出，较优的通气孔结构形式是：在空气流进隧洞阶段，孔口面积较大，进气较快，满足尾水隧洞最低负压要求；在空气排出隧洞阶段，孔口面积较小，排气较为缓慢，满足撞击压力要求，从而从总体上改善尾水隧洞的压力。

有益效果：以水电站过渡过程为例，说明设置有双向通气孔口的通气孔的工作原理和效果。

当水电站发生过渡过程，尾水隧洞中出现负压时，在内外大气压的作用下，通气孔口开始进气，气流从外界经横向通气口进入孔口结构，此时风速较大，气流产生的托力将顶起活动挡板，活动挡板的运动将带动活动连杆运动，此时活动连杆压迫弹簧，弹簧对管壁的压力通过缓冲装置得以大大减小，此时孔口结构完全打开，实现快速进气的目的，缓解尾水洞中的负压，避免发生液柱分离现象。

当尾水隧洞中水面上升时，隧洞中的空气被压缩，该处的空气通过通气孔排出隧洞，空穴逐渐减小，当空气逐渐排出过程中，此时气流产生的压力以及弹簧压力迫使动挡板紧闭，此时活动挡板关于完全关闭的状态，气流从活动挡板上预留的圆孔中排出，缩小空气排出时通气孔的面积，增加排气时间，以避免被空气分隔的液柱重新弥合，发生直接水锤现象，从而达到控制尾水隧洞内压力振荡的效果。

本发明在满足其他安全可靠性能要求的前提下，可以大大缓解进气时隧洞中的负压以及排气时的撞击压力，特别是对于水电站尾水隧洞及城市管网，效果显著。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的一种新型尾水隧洞通气孔口结构所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明活动挡板处于开启状态时的通气孔口结构正视图；

图2为本发明活动挡板处于关闭状态时的通气孔口结构正视图；

图3为本发明弹簧及缓冲装置局部放大图；

图4为本发明活动挡板及缓冲装置局部放大图；

图5为本发明活动挡板俯视图；

图6为本发明活动挡板及活动连杆尺寸图；

图7为本发明实施例的水电站输水系统布置简图；

图8为本发明实施例的水电站尾水系统布置简图；

图9为本发明实施例大孔口面积下通气孔处压力变化过程线；

图中：通气孔1，活动挡板2，活动连杆3，弹簧4，弹簧缓冲装置5，环形防滑动块体6，卡槽缓冲装置7，活动连杆缓冲装置8，圆孔9，润滑装置10，卡槽11。

具体实施方式

实施例：

本实施例的新型尾水隧洞通气孔口结构，如图1、图2、图3、图4和图5所示，活动挡板2关闭时气流只能从活动挡板2中预留的圆孔9通过，活动连杆3与活动挡板2固定，环形防滑块体6用于固定活动连杆3的方向。在通气孔口1处设置活动挡板2，活动挡板2开启时活动连杆3发生侧滑，环形防滑块体6与活动连杆3之间设置润滑装置10，弹簧缓冲装置5用于保护活动连杆3，当活动挡板2被进气的气流顶起时，活动连杆3随之运动，压迫弹簧4，此时通气孔口为全面积进气；当活动挡板2受排出的气体压力及弹簧压力时，活动挡板2紧闭并与卡槽11咬合，卡槽缓冲装置7可以防止活动挡板2快速关闭引起的损坏，此时尾水管中排出的气体只能从活动挡板2预留的圆孔9通过，此时通气面积仅为圆孔面积。

如图6所示，活动挡板是边长为a，高为h密度为ρ₁的长方体，圆孔直径为d，连杆是直径为D，长为L，密度为ρ₂的圆柱体，弹簧劲度为k，进气气流风速为v，气流密度为ρ₀，Δx为活动挡板完全开启时弹簧的伸缩长度。

根据力的平衡关系，进气时则有

可求得：

即当进气气流风速大于v₀时，活动挡板即可完全开启，此时为通气孔口全面积进气。

当通气孔发生排气时，在活动挡板与卡槽处设置缓冲装置，避免排气速度过快导致活动挡板关闭过快与卡槽碰撞发生破坏。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，当机组发生甩负荷工况时，尾水隧洞内液面下降，压强降低，外界气压大于尾水隧洞压强，在气流压力的作用下，活动挡板2开启，活动连杆3随之运动，其中环形防滑块体6可防止活动连杆3发生侧滑，润滑装置10起到润滑作用，活动连杆3的运动将压迫弹簧4，此时通气孔1为全面积进气；当尾水隧洞内液面上升，原本存在于隧洞内的空气被压缩，气压增大，大于外界大气压，此时为排气工况，活动挡板2在弹簧4、气流以及活动挡板2自重的作用下关闭，空气只能由活动挡板2上预留的圆孔9排出尾水隧洞，通气孔1排气面积较小，因此排气速度较为缓慢，大大降低了气团排出孔口时的瞬变压力；当进气气流风速过大时，活动挡板2及活动连杆3快速向斜上方运动，设置弹簧缓冲装置5和活动连杆缓冲装置8可避免活动连杆3冲击管壁，造成管壁破坏，而在排气工况时，活动挡板2受到排出的气体压力及弹簧压力，活动挡板2紧闭并与卡槽11咬合，卡槽缓冲装置7可以防止活动挡板2快速关闭引起的损坏。

某引水式电站上游管道系统采用“单管单机”的布置形式，尾水系统采用“三机一室一洞”的布置形式，其水力单元平面布置如图7所示，图中L₁₁段和L₁₂段剖面布置如图8所示，通气孔布置在尾水隧洞与导流洞结合处。

本实施例通过设置不同通气孔面积以及采用本发明中的通气孔结构，比较本电站三台机组发生同时甩负荷时，尾水隧洞通气孔处的压力变化，具体计算结果如图9所示。

如图9所示，当选用新型通气孔结构时，尾水洞的压力得到很好的控制，基本避免了排气结束时刻的撞击压力。当机组开始甩负荷时，尾水隧洞内的压力开始下降。当采用传统的通气孔结构时，进气面积与排气面积相同，排气过程结束后发生较大的撞击压力，其压力值达到47.90m，不利于尾水隧洞的安全运行。而当选用新型的通气孔结构时，压力得到很好地控制。进气时通气面积较大，能够快速缓解隧洞内的最低压力，排气时通气面积减小，减缓气体的排出速度，最大撞击压力为21.32m，远远低于传统通气孔结构下的压力值，使得压力振荡得到较好的控制。

上述结果表明：本发明提出的新型通气孔结构，即进气时孔口全部打开，排气只有部分孔口排气，压力振荡得到较好的控制，保护隧洞的安全。

Claims (6)

1.一种新型尾水隧洞通气孔口结构，包括位于尾水隧洞上的通气孔，其特征在于：所述通气孔为双向通气孔口且安装有用于尾水隧洞进气且限制排气的单向阀，所述单向阀与通气孔呈Y形布置，所述单向阀包括依次连接的活动挡板、活动连杆和弹簧，所述活动挡板与进气方向的夹角为锐角且活动挡板上预留有用于排气的圆孔，当尾水隧洞中出现负压，气体从外界进入通气孔口，气流作用于活动挡板，此时活动挡板完全打开，通气孔口全面积打开，气流进入尾水隧洞；当尾水隧洞排气时，在气流及自重的作用下，活动挡板关闭，气流从活动挡板上预留的孔口排出，缩小气流通过的面积，达到降低气团排出孔口时的瞬变压力的目的。

2.根据权利要求1所述的一种新型尾水隧洞通气孔口结构，其特征在于：所述通气孔具有竖直段和水平段，所述竖直段与尾水隧洞的顶部连接，所述水平段连接在所述竖直段的顶端，所述单向阀安装在水平段上。

3.根据权利要求1所述的一种新型尾水隧洞通气孔口结构，其特征在于：所述单向阀与通气孔的汇合处具有用于限位活动挡板的卡槽，所述卡槽内安装有卡槽缓冲装置。

4.根据权利要求1所述的一种新型尾水隧洞通气孔口结构，其特征在于：所述单向阀内具有用于导向活动连杆的环形防滑动块体和润滑装置，用于防止活动连杆发生侧滑并减小摩擦。

5.根据权利要求1所述的一种新型尾水隧洞通气孔口结构，其特征在于：所述弹簧与单向阀之间还设有弹簧缓冲装置，用于防止进气时活动挡板带动活动连杆快速作斜向上运动引起的损坏。

6.根据权利要求1所述的一种新型尾水隧洞通气孔口结构，其特征在于：当进气气流风速大于 v₀时，活动挡板即可完全开启，此时为通气孔口全面积进气

式中，a为活动挡板为边长，h为活动挡板高，ρ₁为活动挡板密度，d为圆孔直径；连杆是直径为D，长L，密度为ρ₂的圆柱体；弹簧劲度为k，进气气流风速为v，气流密度为ρ₀，∆x为活动挡板完全开启时弹簧的伸缩长度，ɵ为单向阀与水平段的夹角。