CN109440743B - 可控制阻抗孔面积的调压室装置、系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可控制阻抗孔面积的调压室装置、系统和控制方法，旨在克服现有技术中的调压室阻抗连接管设计方案难以平衡水锤压力和调压室最高浪涌之间矛盾的技术问题。所述装置包括包括调压室、输水管道、阻抗连接管，还包括闸门、浮块和牵引机构，所述浮块滑动设置于调压室内部，浮块滑动方向沿竖直方向；阻抗连接管滑动连接闸门，浮块通过牵引机构连接闸门。所述系统包括水轮发电机组、引水隧洞和上述的可控制阻抗孔面积的调压室装置，所述引水隧洞连接调压室装置的输水管道，输水管道通过引水隧洞连接水轮发电机组。所述方法基于上述装置和系统，解决水锤压力和调压室涌浪之间的矛盾，可以降低调压室最高涌浪，同时保证水锤防护能力。

Description

可控制阻抗孔面积的调压室装置、系统和控制方法

技术领域

本发明涉及水电站调压室技术领域，特别是涉及一种面积可随涌浪的变化而改变的阻抗连接管的调压室装置。

背景技术

在水利水电工程中，常用调压室来解决水力瞬变过程中的水锤问题。水电站调压室的设计和使用经验已经非常丰富，常用的调压室类型有简单式、阻抗式、水室式、差动式、溢流式、气垫式等。其中阻抗式调压室应用最为广泛。

阻抗式调压室阻抗孔面积的大小决定着进出调压室水流流量的大小，同时决定着反射水锤波的效果。阻抗孔面积越大，反射水锤波的效果越好，但随着阻抗孔面积的增加，流入调压室的流量增大，造成调压室最高涌浪不断升高，同时调压室水位波动振幅也不断加大，衰减速度变慢。反之，随着阻抗孔面积的减小，进出调压室的水流流量也越小，调压室水位波动振幅减小，衰减速度较快，但反射水锤波的效果变差。因此在设计调压室阻抗孔面积的时候，需要综合考虑反射水锤压力和限制调压室最高涌浪两个因素，以选择合适的阻抗孔尺寸及形式。

现有阻抗式调压室多采用面积固定的阻抗孔形式，无法很好的平衡水锤压力和调压室最高涌浪之间的矛盾，本发明进一步优化调压室阻抗孔形式及尺寸，在满足反射水锤效果的前提下，进一步限制调压室最高涌浪的极值。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的调压室阻抗连接管设计方案难以平衡水锤压力和调压室最高浪涌之间矛盾的技术问题，提供一种面积可随涌浪的变化而改变，可以很好地解决水锤压力和调压室涌浪之间的矛盾，可以降低调压室最高涌浪，进而降低调压室的设计高度，节省工程投资的可控制阻抗孔面积的调压室装置、系统和控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种可控制阻抗孔面积的调压室装置，包括调压室、输水管道、阻抗连接管，调压室底部通过阻抗连接管连接输水管道，阻抗连接管内设置阻抗孔，还包括闸门、浮块和牵引机构，所述浮块滑动设置于调压室内部，浮块滑动方向沿竖直方向；阻抗连接管滑动连接闸门，浮块通过牵引机构连接闸门，浮块上升时浮块通过牵引机构牵引闸门向靠近阻抗连接管方向滑动，浮块下降时浮块通过引机构牵引闸门向远离阻抗连接管方向滑动。

浮块能够随着调压室内水位上升或下降，从而通过牵引机构联动闸门滑动，闸门用于控制阻抗连接管的开口面积大小。

在阻抗式调压室中，阻抗连接管面积越大，反射水锤波的效果就越好，水锤压力反射的越充分，但同时调压室涌浪振幅将加大，衰减速度变慢。阻抗连接管面积越小，进出调压室的水流流量越小，调压室涌浪振幅减小，衰减速度加快，但反射水锤效果变差。另一方面，输水系统中水锤压力的传播速度较快，变化周期短，最大水锤压力一般出现在水轮机甩负荷之后的十秒之内，之后便快速衰减；而调压室内的水位波动变化相对较慢，调压室涌浪周期从几十秒到几百秒不等。因此最大水锤压力和涌浪极值之间存在着一个时间差。在机组甩负荷初期，采用较大的阻抗连接管面积，可以充分反射水锤波，降低机组的水锤压力极值；而当水锤波逐渐衰减，调压室内水位逐渐上升的时候，此时将阻抗连接管面积缩小，可以有效抑制调压室的涌浪极值，从而可以降低调压室的设计高度，节省工程投资。

作为优选，调压室内壁靠近顶部竖直设置有导向滑杆，浮块滑动连接所述导向滑杆，浮块可沿导向滑杆上下滑动。

浮块由于浮力作用会始终保持在水面，所述导向滑杆能够保证浮块沿竖直方向滑动，从而能够使调压室内水位和闸门构成联动关系。

作为优选，所述牵引机构包括牵引绳、滑轮组和杠杆，所述牵引绳一端连接浮块，牵引绳的另一端通过滑轮组导向延伸至闸门远离阻抗连接管的一端，所述牵引绳和闸门之间设置有杠杆,所述杠杆一端转动连接闸门远离阻抗连接管的一端，杠杆另一端连接牵引绳。

所述滑轮组能够改变牵引绳延伸方向，使牵引绳避让其他结构而顺利延伸至位于调压室底部的闸门处。杠杆可以改变施力方向，可以使省力同时作为作为并且尽可能减少摩擦阻力，从而使浮块上升拉动牵引绳时，使杠杆能够推动闸门向阻抗连接管方向滑动，从而减小阻抗连接管的面积。

作为优选，所述杠杆连接闸门的一端设置有复位弹簧。

复位弹簧能够提供闸门向远离阻抗连接管方向滑动的复位力。

作为优选，所述滑轮组包括若干定滑轮和一个动滑轮，所述牵引绳通过所述定滑轮导向向闸门处延伸，所述动滑轮设置有配重块，在配重块上方设置限位配重块上升高度的限位杆。

牵引绳缠绕在动滑轮上的部分可以做为缓冲，由于动滑轮和配重块的调节作用，即使调压室水面在一定高程范围内波动时，牵引绳依旧不会对杠杆产生拉力，而使闸门保持位置，从而减少由于浮块随着水面波动而误操作闸门的问题。

作为优选，阻抗连接管侧壁设置有一个长条形的滑腔，所述滑腔内设置有滑轨，闸门滑动连接所述滑轨。

作为优选，调压室内最高静水位和最低静水位之间的距离为a，动滑轮到限位杆的距离为

作为优选，闸门和滑轨之间的摩擦力为f₁，所有滑轮组于牵引绳之间的摩擦力为f₂，复位弹簧弹簧劲度系数为k，闸门在完全开启阻抗孔和完全关闭阻抗孔之间的最小距离为s，浮块的体积V满足，

本发明同时提供一种水电站输水系统，所述系统包括水轮发电机组、引水隧洞和上述的可控制阻抗孔面积的调压室装置，所述引水隧洞连接调压室装置的输水管道，输水管道通过引水隧洞连接水轮发电机组。

本发明还提供一种可控制阻抗孔面积的调压室装置控制方法，所述方法包括以下步骤：

当水轮发电机组发生丢弃负荷后，随着水轮发电机组的水轮机导叶的关闭，管道内出现压力波，压力波沿着引水隧洞向上游传播，到达调压室处发生水锤反射；水锤从产生到发生反射的时间很短，在这段时间内调压室内的水位位于最高静水位和最低静水位之间，浮块上下滑动距离小于a，浮块拉动牵引绳，牵引绳拉动动滑轮在限位杆以下上下运动，杠杆未收到牵引绳拉力，阻抗孔面积处于最大值，压力波得到充分反射，管道中的压力得到缓解；

水轮发电机组关闭以后，引水隧洞中的水流在惯性的作用下继续涌入调压室，调压室内水位上升带动浮块上升，浮块拉动牵引绳，牵引绳拉动动滑轮上升；

调压室内水位继续上升，当动滑轮上升至限位杆限位位置时，浮块通过牵引绳拉动杠杆，杠杆推动闸门向阻抗孔方向滑动，使阻抗孔面积减小；

浮块向上滑动至导向滑杆顶端，闸门使阻抗孔面积减小至最小值，限制了进入调压室的流量，降低了调压室的最高涌浪水位，加快调压室内涌浪的衰减。

本发明具有如下有益效果的一种可控制阻抗孔面积的调压室装置，利用了最大水锤压力和最高涌浪之间的时间差，以较大的阻抗孔面积反射水锤波，降低管道内的水锤压力，保障机组的稳定运行；在最大水锤发生之后，又以较小的阻抗孔面积限制水流进出调压室，减小涌浪振幅，最终达到降低调压室高度，节省工程投资的目的。该装置同样可应用于调压塔以及长距离供水工程中的水锤防护设计中。

附图说明

图1为本发明的可控制阻抗孔面积的调压室装置的结构示意图。

图2为本发明的可控制阻抗孔面积的调压室装置的浮块到达最高静水位时的结构示意图。

图3为本发明的可控制阻抗孔面积的调压室装置的浮块到达最顶端时结构示意图。

图4为本发明的可控制阻抗孔面积的调压室装置的尺寸示意图。

图5为本发明的可控制阻抗孔面积的调压室装置的杠杆和闸门处相关尺寸示意图。

图6为本发明的水电站输水系统的结构示意图。

图7为本发明示例中阻抗孔面积变化趋势。

图8为本发明示例中不同阻抗孔面积下1#机组蜗壳末端压力变化过程线。

图9为本发明示例中不同阻抗孔面积下调压室涌浪变化过程线。

图10为本发明示例中不同阻抗孔口面积下调压室底部压力变化过程线。

图中：1调压室；2输水管道；3阻抗连接管；4闸门；5浮块；6导向滑杆；7牵引绳；8杠杆；9复位弹簧；10定滑轮；11动滑轮；12配重块；13限位杆；14滑腔；15滑轨；16阻抗孔；17水轮发电机组；18引水隧洞。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明的一种可改变阻抗连接管面积的调压室装置，包括调压室1、输水管道2、阻抗连接管3、闸门4、浮块5和牵引机构，调压室1底部通过阻抗连接管3连接输水管道2，阻抗连接管3内设置阻抗孔16。

所述浮块5滑动设置于调压室1内部，浮块5滑动方向沿竖直方向。阻抗连接管3侧壁设置有一个长条形的滑腔14，所述滑腔14内设置有滑轨15，闸门4滑动连接所述滑轨15。

浮块5通过牵引机构连接闸门4，浮块5上升时浮块5通过牵引机构牵引闸门4向靠近阻抗连接管3方向滑动，浮块5下降时浮块5通过引机构牵引闸门4向远离阻抗连接管3方向滑动。

调压室1内壁靠近顶部竖直设置有导向滑杆6，浮块5滑动连接所述导向滑杆6，浮块5可沿导向滑杆6上下滑动。所述导向滑杆6通过一个框架结构

浮块5由于浮力作用会始终保持在水面，所述导向滑杆6能够保证浮块5沿竖直方向滑动，从而能够使调压室1内水位和闸门4构成联动关系。

所述牵引机构包括牵引绳7、滑轮组和杠杆8，所述牵引绳7一端连接浮块5，牵引绳7的另一端通过滑轮组导向延伸至闸门4远离阻抗连接管3的一端，所述牵引绳7和闸门4之间设置有杠杆8,所述杠杆8一端转动连接闸门4远离阻抗连接管3的一端，杠杆8另一端连接牵引绳7。

所述滑轮组能够改变牵引绳7延伸方向，使牵引绳7避让其他结构而顺利延伸至位于调压室1底部的闸门4处。杠杆8可以改变施力方向，可以使省力同时作为作为并且尽可能减少摩擦阻力，从而使浮块5上升拉动牵引绳7时，使杠杆8能够推动闸门4向阻抗连接管3方向滑动，从而减小阻抗连接管3的面积。

所述杠杆8连接闸门4的一端设置有复位弹簧9。复位弹簧9能够提供闸门4向远离阻抗连接管3方向滑动的复位力。

所述滑轮组包括若干定滑轮10和一个动滑轮11，所述牵引绳7通过所述定滑轮10导向向闸门4处延伸，所述动滑轮11设置有配重块12，在配重块12上方设置限位配重块12上升高度的限位杆13。

牵引绳7缠绕在动滑轮11上的部分可以做为缓冲，由于动滑轮11和配重块12的调节作用，即使调压室1水面在一定高程范围内波动时，牵引绳7依旧不会对杠杆8产生拉力，而使闸门4保持位置，从而减少由于浮块5随着水面波动而误操作闸门4的问题。

浮块5能够随着调压室1内水位上升或下降，从而通过牵引机构联动闸门4滑动，闸门4用于控制阻抗连接管3的开口面积大小。

在阻抗式调压室1中，阻抗连接管3面积越大，反射水锤波的效果就越好，水锤压力反射的越充分，但同时调压室1涌浪振幅将加大，衰减速度变慢。阻抗连接管3面积越小，进出调压室1的水流流量越小，调压室1涌浪振幅减小，衰减速度加快，但反射水锤效果变差。另一方面，输水系统中水锤压力的传播速度较快，变化周期短，最大水锤压力一般出现在水轮机甩负荷之后的十秒之内，之后便快速衰减；而调压室1内的水位波动变化相对较慢，调压室1涌浪周期从几十秒到几百秒不等。因此最大水锤压力和涌浪极值之间存在着一个时间差。在机组甩负荷初期，采用较大的阻抗连接管3面积，可以充分反射水锤波，降低机组的水锤压力极值；而当水锤波逐渐衰减，调压室1内水位逐渐上升的时候，此时将阻抗连接管3面积缩小，可以有效抑制调压室1的涌浪极值，从而可以降低调压室1的设计高度，节省工程投资。

如图2、图3所示，当机组发生丢弃负荷工况时，随着导叶的关闭，蜗壳内压力不断上升，产生的压力波向上游传播，在调压室1处发生反射。压力传播的同时，调压室1水位也不断上升，浮块5随着水面的上升而升高，配重块12也随之上升。当配重块12到达最高处之后便停止上升。随着浮块5的继续上升，浮块5拉动牵引绳7，牵引绳7拉动杠杆8的上端，杠杆8的下端推动闸门4，并使复位弹簧9拉伸。随着闸门4的关闭，阻抗孔16面积不断减小，限制了输水管道2中的水流流入调压室1，有效降低了调压室1的最高涌浪。

如图4所示，如图5所示，最高静水位和最低静水位之间的距离为a，最高静水位到上限位杆13的距离等于最低静水位到下限位杆13的距离，均为b。动滑轮11到限位杆13的距离为应为可保证闸门4在水轮机组正常工况下是总保持打开状态。

水轮机组突然甩负荷时，水位上升，当浮块5上升到上限位杆13处时，绳索被拉动距离为b。

在杠杆8处，初始状态下杠杆8支点距离上端距离c₁，距离下端c₂，杠杆8转动角度为α，闸门4水平位移为s。在极限状态下，绳索与杠杆8在一条直线上，此时，由三角函数关系可知：

闸门4宽d，则此时阻抗孔16面积减小值：ΔA＝d·s。

闸门4和滑轨15之间的摩擦力为f₁，所有滑轮的摩擦力为f₂，复位弹簧9劲度系数为k，则当闸门4移动距离为s时，复位弹簧9拉力为F，则F＝k·s。

浮块5被水淹没的体积为V，质量为m，水的密度为ρ，重力加速度为g，则浮块5所受浮力为：F_浮＝ρ·g·V。

为保证闸门4能够打开，应保证F_浮＞F+f₁+f₂+m·g，即浮块5的体积V应该满足：

如图6所示，本发明实施例同时提供一种水电站输水系统，所述系统包括水轮发电机组17、引水隧洞18和上述实施例中的可控制阻抗孔面积的调压室装置，所述引水隧洞18连接调压室装置的输水管道2，输水管道2通过引水隧洞18连接水轮发电机组17。

本发明实施例一种可控制阻抗孔面积的调压室装置控制方法所述方法包括以下步骤：

当水轮发电机组17发生丢弃负荷后，随着水轮发电机组17的水轮机导叶的关闭，管道内出现压力波，压力波沿着引水隧洞18向上游传播，到达调压室1处发生水锤反射；水锤从产生到发生反射的时间很短，在这段时间内调压室1内的水位位于最高静水位和最低静水位之间，浮块5上下滑动距离小于a，浮块5拉动牵引绳7，牵引绳7拉动动滑轮11在限位杆13以下上下运动，杠杆8未收到牵引绳7拉力，阻抗孔16面积处于最大值，压力波得到充分反射，管道中的压力得到缓解；

水轮发电机组17关闭以后，引水隧洞18中的水流在惯性的作用下继续涌入调压室1，调压室1内水位上升带动浮块5上升，浮块5拉动牵引绳7，牵引绳7拉动动滑轮11上升；

调压室1内水位继续上升，当动滑轮11上升至限位杆13限位位置时，浮块5通过牵引绳7拉动杠杆8，杠杆8推动闸门4向阻抗孔16方向滑动，使阻抗孔16面积减小；

浮块5向上滑动至导向滑杆6顶端，闸门4使阻抗孔16面积减小至最小值，限制了进入调压室1的流量，降低了调压室1的最高涌浪水位，加快调压室1内涌浪的衰减。

下面将以一个具体工况为例，说明这种面积可随涌浪的变化而改变的阻抗孔16形式的调压室1的工作原理和效果。本应用实例中通过改变闸门关闭的速度以及关闭不同阻抗孔面积，即采用不同的阻抗孔面积进行该过渡过程工况模拟，关闭结束时调压室阻抗孔口面积分别取为初始面积(固定值)的1/5、2/5、3/5、4/5及固定值，阻抗孔面积变化趋势如图7所示。

机组正常运行时，由于上库水位的季节性变化，调压室1内静水位也随之变化，但在稳定工况下，虽然存在进出调压室1的流量，调压室1的水面总是稳定在一定的高程范围内。在此高程内，无论浮块5随着水面上下位移，由于与配重块12相连的牵引绳7长度有一定的裕量，闸门4不会发生移动。同时由于复位弹簧9的作用，闸门4受到一个拉力。在拉力的作用下，闸门4始终保持打开的状态，此时阻抗孔16面积保持最大的状态。

如图9至图10所示，当机组发生丢弃负荷后，随着水轮机导叶的关闭，管道内出现压力波，压力波沿着管道向上游传播，到达调压室1处发生反射。水锤从产生到发生反射的时间很短，在这段时间内调压室1内的水位没有发生较大的变化，调压室1阻抗孔16面积处于最大值，压力波得到充分反射，管道中的压力得到缓解。随后，管道中的水流不断涌入调压室1造成调压室1内水面继续上升，带动浮块5向上移动。当配重块12上升到限位杆13处后便停止移动。随着水面的继续升高，浮块5继续随之上移，牵引绳7随浮块5被拉动。牵引绳7拉动杠杆8的一端，杠杆8另外一端抵住闸门4，给闸门4一个推力，复位弹簧9被拉伸，闸门4逐渐关闭，阻抗孔16面积不断缩小。当浮块5升高到上限位杆处后便固定在最高处，使其无法继续上升，也无法下降。此时闸门4关闭到最小，阻抗孔16处于面积最小的状态。此时较小的阻抗孔16面积限制了进入调压室1的流量，有效降低了调压室1的最高涌浪水位，有利于降低调压室1的高度。当调压室1内水位到达最高水位以后，在涌浪压力的作用下，调压室1内的水流开始由调压室1向外流出，水面降低。由于浮块5被固定在了最高处，因此闸门4不再移动，此时阻抗孔16面积处于最小的状态。较小的阻抗孔16面积限制了调压室1流出的流量，有效限制了调压室1的水位进一步下降，有利于加快调压室1内涌浪的衰减。机组开机时与此情况类似，在此便不再赘述。

Claims (8)

1.一种可控制阻抗孔面积的调压室装置，包括调压室（1）、输水管道（2）、阻抗连接管（3），调压室（1）底部通过阻抗连接管（3）连接输水管道（2），阻抗连接管（3）内设置阻抗孔（16），其特征是，还包括闸门（4）、浮块（5）和牵引机构，所述浮块（5）滑动设置于调压室（1）内部，浮块（5）滑动方向沿竖直方向；阻抗连接管（3）滑动连接闸门（4），浮块（5）通过牵引机构连接闸门（4），浮块（5）上升时浮块（5）通过牵引机构牵引闸门（4）向靠近阻抗连接管（3）方向滑动，浮块（5）下降时浮块（5）通过牵引机构牵引闸门（4）向远离阻抗连接管（3）方向滑动；

所述调压室（1）内壁靠近顶部竖直设置有导向滑杆（6），浮块（5）滑动连接所述导向滑杆（6），浮块（5）沿导向滑杆（6）上下滑动；

所述牵引机构包括牵引绳（7）、滑轮组和杠杆（8），所述牵引绳（7）一端连接浮块（5），牵引绳（7）的另一端通过滑轮组导向延伸至闸门（4）远离阻抗连接管（3）的一端，所述牵引绳（7）和闸门（4）之间设置有杠杆（8）,所述杠杆（8）一端转动连接闸门（4）远离阻抗连接管（3）的一端，杠杆（8）另一端连接牵引绳（7）。

2.根据权利要求1所述的可控制阻抗孔面积的调压室装置，其特征是，所述杠杆（8）连接闸门（4）的一端设置有复位弹簧（9）。

3.根据权利要求1所述的可控制阻抗孔面积的调压室装置，其特征是，所述滑轮组包括若干定滑轮（10）和一个动滑轮（11），所述牵引绳（7）通过所述定滑轮（10）导向向闸门（4）处延伸，所述动滑轮（11）设置有配重块（12），在配重块（12）上方设置限位配重块（12）上升高度的限位杆（13）。

4.根据权利要求2或3所述的可控制阻抗孔面积的调压室装置，其特征是，阻抗连接管（3）侧壁设置有一个长条形的滑腔（14），所述滑腔（14）内设置有滑轨（15），闸门（4）滑动连接所述滑轨（15）。

5.根据权利要求4所述的可控制阻抗孔面积的调压室装置，其特征是，调压室内（1）最高静水位和最低静水位之间的距离为，动滑轮（11）到限位杆（13）的距离为/>。

6.根据权利要求4所述的可控制阻抗孔面积的调压室装置，其特征是，闸门（4）和滑轨（15）之间的摩擦力为，所有滑轮组与牵引绳之间的摩擦力为/>，复位弹簧弹簧劲度系数为/>，闸门在完全开启阻抗孔（16）和完全关闭阻抗孔（16）之间的最小距离为/>，浮块的体积/>满足，/>。

7.一种水电站输水系统，其特征是，所述系统包括水轮发电机组（17）、引水隧洞（18）和权利要求1至6任意一项所述的可控制阻抗孔面积的调压室装置，所述引水隧洞（18）连接调压室装置的输水管道（2），输水管道（2）通过引水隧洞（18）连接水轮发电机组（17）。

8.一种根据权利要求1-6任意一项所述的可控制阻抗孔面积的调压室装置控制方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

当水轮发电机组（17）发生丢弃负荷后，随着水轮发电机组（17）的水轮机导叶的关闭，管道内出现压力波，压力波沿着引水隧洞（18）向上游传播，到达调压室（1）处发生水锤反射；水锤从产生到发生反射的时间内调压室（1）内的水位位于最高静水位和最低静水位之间，浮块（5）上下滑动距离小于，浮块（5）拉动牵引绳（7），牵引绳（7）拉动动滑轮（11）在限位杆（13）以下上下运动，杠杆（8）未受到牵引绳（7）拉力，阻抗孔（16）面积处于最大值，压力波得到充分反射，管道中的压力得到缓解；

水轮发电机组（17）关闭以后，引水隧洞（18）中的水流在惯性的作用下继续涌入调压室（1），调压室（1）内水位上升带动浮块（5）上升，浮块（5）拉动牵引绳（7），牵引绳（7）拉动动滑轮（11）上升；

调压室（1）内水位继续上升，当动滑轮（11）上升至限位杆（13）限位位置时，浮块（5）通过牵引绳（7）拉动杠杆（8），杠杆（8）推动闸门（4）向阻抗孔（16）方向滑动，使阻抗孔（16）面积减小；

浮块（5）向上滑动至导向滑杆（6）顶端，闸门（4）使阻抗孔（16）面积减小至最小值，限制了进入调压室（1）的流量，降低了调压室（1）的最高涌浪水位，加快调压室（1）内涌浪的衰减。