CN111666618A - 一种侧式进/出水口扩散段体型的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种侧式进/出水口扩散段体型的设计方法，在现有导则和规范的基础上引入了宽裕度系数KLi、过流面积分配系数KA两个新的设计参数，并对参数的取值进行了规定。通过本发明的侧式进/出水口扩散段体型的设计方法设计建造或改进后的侧式进/出水口，可以有效消除扩散段的偏流现象、改善流道的流量分配，从而均化拦污栅断面的过栅流速，确保拦污栅结构安全。

Description

一种侧式进/出水口扩散段体型的设计方法
技术领域
本发明属水力发电工程领域，特别涉及一种侧式进/出水口扩散段体型的设计方法。
背景技术
随着国民经济持续高速发展，伴随而来的是对能源需求的激增，火电站、核电站和常规水电站等各种型式大规模电站的建设，抽水蓄能电站作为电力系统运行过程中调峰填谷的重要措施，可提高系统中火电站和核电站的效率，保证电网的安全运行，是电网中不可缺少的重要组成部分。
抽水蓄能电站的侧式进/出水口由扩散段(收缩段)和调整段(拦污栅及防涡梁)两部分组成，其中扩散段主要由两侧边墙以及一个或多个分流隔墩组成。侧式进出水口具有进水口和出水口两种功能，水流呈现出扩散流或收缩流两种流态。在扩散流流态时，水流极易与边壁分离形成偏流，造成流道之间的流量分配显著差异，拦污栅断面处流速分布不均，局部流速过大，导致拦污栅栅条破坏，进而影响水轮机组安全。
《抽水蓄能电站设计导则》(DL/T 5208-2005)(下文简称“导则”)和《水电站进水口设计规范》(DL/T 5398-2007)(下文简称“规范”)中提出在扩散段设置分流隔墩，将扩散段分为多个流道，并对扩散段的平面扩散角α、顶板扩张角θ、流道平面扩张角等参数给出了相应的参考值。然而，在众多侧式进/出水口设计过程中，当按照导则和规范提供的参考值进行扩散段体型设计时，通过水工模型试验验证发现，扩散段内仍然存在偏流现象，相邻流道的流量分配比大于1.1，严重时达到1.7，拦污栅断面流速分布不均匀，过栅流速远远大于规范要求的1.2m/s，过栅水流出现反向流动。如何消除扩散段内水流的偏流、改善相邻流道的流量分配比是侧式进/出水口设计中需要解决的主要技术问题。
发明内容
为了消除扩散段内水流的偏流现象、改善相邻流道的流量分配比，进而改善拦污栅断面的流速分布，本发明在导则和规范的基础上，提供了一种侧式进/出水口扩散段体型的设计方法，其采取的技术方案如下：
一种侧式进/出水口扩散段体型的设计方法，定义设计参数：
宽裕度Li，为分流隔墩墩头与扩散段起始断面的距离；
宽裕度系数KLi，为宽裕度Li与扩散段起始断面的宽度b之比；
过流面积分配系数KA，为相邻流道最小过流断面的面积之比。
上述侧式进/出水口扩散段体型的设计方法包括如下步骤：
S1.根据工程设计条件，对侧式进/出水口的基本体型进行设计，得到侧式进/出水口扩散段的基本体型参数，包括：侧式进/出水口扩散段的平面扩散角α、扩散段起始断面的宽度b、扩散段起始断面的高度d、分流隔墩的数量、各流道最小过流断面处的宽度ai、各流道在扩散段起始端的宽度bi、各流道最小过流断面处的高度hi、扩散段长度L、顶扩张角θ、扩散段出口断面宽度B、扩散段出口断面高度D。
S2.根据扩散段平面扩散角α的大小和扩散段与上游侧隧洞边墙的连接方式计算边侧分流隔墩的宽裕度系数KL1和中间分流隔墩的宽裕度系数KL2，计算公式如下：
i.当上游侧引水隧洞末端边墙与扩散段起始端边墙为直线连接时，宽裕度系数KL1按下式进行计算：
Figure BDA0002510764840000021
ii.当上游侧引水隧洞末端边墙与扩散段起始端边墙为圆弧曲线连接时，宽裕度系数KL1按下式进行计算：
Figure BDA0002510764840000022
式中：R为边墙连接圆弧曲线的半径；
iii.中间分流隔墩的宽裕度系数KL2的计算公式为：
Figure BDA0002510764840000023
S3.根据宽裕度系数KL1、KL2分别计算边侧分流隔墩的宽裕度L1和中间分流隔墩的宽裕度L2，宽裕度Li的计算公式为：
Li＝KLib (4)
S4.计算流道过流面积分配系数KA，判定流道过流面积分配系数KA是否在目标数值范围内，若KA值不在目标数值范围内，则调整分流隔墩之间的间距，并重新计算KA值，直至KA值在目标数值范围内，流道过流面积分配系数KA的计算公式为：
Figure BDA0002510764840000031
式中：A1、A2分别为扩散段边侧流道和中间流道的最小过流断面的面积，a1、h1分别为扩散段边侧流道最小过流断面处的宽度和高度；a2、h2分别为扩散段中间流道最小过流断面处的宽度和高度。
S5.判定KA值是否在目标数值范围内，若KA值在目标数值范围内，则各设计参数取值合理，设计完成；若KA值不在目标数值范围内，则调整各流道的间距，并重复步骤S4重新计算KA值，直至调整KA值在目标数值范围内。
具体地，所述步骤S5中，当KA值超过目标数值范围，将边侧分流隔墩向边侧流道调整；当KA值不及目标数值范围，将边侧分流隔墩向内侧中间流道调整。
具体地，所述步骤S5中，KA值的目标数值范围为1.0＜KA＜1.1。
具体地，所述步骤S5中，当KA＞1.1时，此时边侧流道的过流面积过大，则将边侧分流隔墩向边侧流道调整；当KA＜1.0时，此时边侧流道的过流面积过小，则将边侧分流隔墩向内侧中间流道调整。
本发明具备的有益效果：本发明的侧式进/出水口扩散段体型的设计方法在现有导则和规范的基础上，创造性地引入了宽裕度系数KLi、过流面积分配系数KA两个设计参数，提出了参数的计算方法，并对参数的取值进行了规定。通过本发明的侧式进/出水口扩散段体型的设计方法设计建造或改进后的侧式进/出水口，可以有效消除扩散段的偏流现象、改善流道的流量分配，从而均化拦污栅断面的过栅流速，确保拦污栅结构安全。
附图说明
图1为侧式进/出水口扩散段体型设计方法的流程图；
图2为三隔墩四流道侧式进/出水口平面示意图；
图3为三隔墩四流道侧式进/出水口剖面示意图；
图中：1-调整段；2-扩散段；21-扩散段边墙；22-边侧分流隔墩；23-中间分流隔墩；3-上游侧引水隧洞；31-上游侧引水隧洞边墙；α-扩散段平面扩散角；L-扩散段长度；b-扩散段起始断面的宽度；B-扩散段出口宽度；d-扩散段起始断面的高度；D-扩散段出口高度；θ-扩散段的顶扩张角；i-扩散段底板坡度；b1-边侧流道在扩散段起始端的宽度；b2-中间流道在扩散段起始端的宽度；L1-边侧分流隔墩的宽裕度；L2-中间分流隔墩的宽裕度；a1-边侧流道最小过流断面处的宽度；a2-中间流道最小过流断面处的宽度；h1-边侧流道最小过流断面处的高度；h2-中间流道最小过流断面处的高度。
具体实施方式
参见图2-3，通过对大量的侧式进/出水口水力学模型试验数据的分析研究发现，导致偏流发生的主要影响因素是分流隔墩墩头与扩散段起始断面的距离，造成流量分配比差异的主要影响因素是流道过流面积。但是现行的导则和规范尚未对上述两个主要影响因素作出明确的规定，也没有给出了相对应的参考值。
根据水流在扩散段2的运动特性，同时为了叙述方便，定义以下设计参数：
宽裕度Li是指分流隔墩墩头与扩散段起始断面的距离；
宽裕度系数KLi是宽裕度Li与扩散段起始断面宽度b之比，KLi＝Li/b；
流道过流面积分配系数KA是指相邻流道最小过流断面的面积之比。
上述设计参数中，宽裕度系数KLi反映了两侧扩散段边墙21与分流隔墩(包括边侧分流隔墩22和中间分流隔墩23)组成的结构体对水流的约束能力，宽裕度系数KLi越小，一方面，结构体对水流的约束能力越强，水流越不容易与边墙分离，流道流量分配越均匀；另一方面，宽裕度系数KLi越小，由此带来的不利影响是过流面积减小，局部水头损失增大，影响发电效益。宽裕度系数KLi越大，结构体对水流的约束能力越弱，水流越容易与扩散段边墙21分离，越容易导致流量分配不均。当宽裕度系数KLi＝0时(即宽裕度Li＝0，分流隔墩墩头位于扩散段起始断面)，在这种约束条件下，基本能够消除偏流，但过流面积最小，水头损失最大。
流道过流面积分配系数KA是指相邻流道最小过流断面的面积之比。在同一过流断面上，水流受边壁摩阻力的影响，呈现出两侧流速小、中间流速大的分布特性，为达到流道流量分配均匀的目的，边侧流道的过流面积需大于中间流道的过流面积。
参见图1，本发明引入了宽裕度系数KLi、过流面积分配系数KA两个新的设计参数，并对参数的取值进行了规定，在此基础上提出了一种侧式进/出水口扩散段体型的设计方法，具体如下：
S1.根据工程设计条件，对侧式进/出水口的基本体型进行设计，得到侧式进/出水口扩散段的基本体型参数，包括：侧式进/出水口扩散段的平面扩散角α、扩散段起始断面的宽度b、扩散段起始断面的高度d、分流隔墩的数量、各流道最小过流断面处的宽度ai、各流道在扩散段起始端的宽度bi、各流道最小过流断面处的高度hi、扩散段长度L、顶扩张角θ、扩散段出口断面宽度B、扩散段出口断面高度D。
S2.根据扩散段平面扩散角α的大小和扩散段与上游侧隧洞边墙的连接方式计算边侧分流隔墩的宽裕度系数KL1和中间分流隔墩的宽裕度系数KL2，计算公式如下：
i.当上游侧引水隧洞末端边墙与扩散段起始端边墙为直线连接时，边侧分流隔墩22的宽裕度系数KL1按下式进行计算：
Figure BDA0002510764840000051
ii.当上游侧引水隧洞末端边墙与扩散段起始端边墙为圆弧曲线连接时，边侧分流隔墩22的宽裕度系数KL1按下式进行计算：
Figure BDA0002510764840000052
式中：R为边墙连接圆弧曲线的半径；
iii.中间分流隔墩23的宽裕度系数KL2的计算公式为：
Figure BDA0002510764840000053
S3.根据宽裕度系数KL1、KL2分别计算边侧分流隔墩22的宽裕度L1和中间分流隔墩23的宽裕度L2，宽裕度Li的计算公式为：
Li＝KLib (4)
S4.计算流道过流面积分配系数KA，判定流道过流面积分配系数KA是否在目标数值范围内，若KA值不在目标数值范围内，则调整分流隔墩之间的间距，并重新计算KA值，直至KA值在目标数值范围内，流道过流面积分配系数KA的计算公式为：
Figure BDA0002510764840000054
式中：A1、A2分别为扩散段边侧流道和中间流道的最小过流断面的面积，a1、h1分别为扩散段边侧流道最小过流断面处的宽度和高度；a2、h2分别为扩散段中间流道最小过流断面处的宽度和高度。
S5.判定KA值是否在目标数值范围内，若KA值在目标数值范围内，则各设计参数取值合理，设计完成；若KA值不在目标数值范围内，则调整各流道的间距，并重复步骤S4重新计算KA值，直至调整KA值在目标数值范围内。KA值的目标数值范围为1.0＜KA＜1.1。当KA＞1.1时，此时边侧流道的过流面积过大，则将边侧分流隔墩向边侧流道调整；当KA＜1.0时，此时边侧流道的过流面积过小，则将边侧分流隔墩向内侧中间流道调整。
上式中，侧式进/出水口扩散段的平面扩散角α、起始断面尺寸b×d、分流隔墩的数量及各流道在扩散段起始端的宽度(b1、b2)，以及扩散段长度L、顶扩张角θ、扩散段出口断面尺寸等参数确定以后，ai、bi、hi的初始值就已确定，在初始设计图中量取即可得出。
实施例1：
某抽水蓄能电站上水库布置有2个侧式进/出水口，均采用3隔墩4流道的布置方式。扩散段起始断面的宽度和高度分别为6.20m和7.00m，扩散段的平面扩散角α为30.0856°。原方案引水隧洞与扩散段采用半径为20.00m的圆弧连接；分流隔墩的宽裕度L1为2.64m(0.43b)，L2为5.24m(0.85b)；分流隔墩在扩散段起始端的宽度b1、b2分别为1.8m、1.3m，边侧流道和中间流道相应的宽度比为0.21:0.29，与设计导则建议值基本一致。水工模型试验成果表明：扩散出流(抽水工况)时边流道的平均流速均超过了1.0m/s，最大值达到了1.24m/s；流道分流比0.62～1.61之间，流道间的流量分配差达到61％，分流效果差。通过式(2)计算的宽裕度系数KL1为0.19，而实际宽裕度系数为0.43，说明分流隔墩不能有效遏制扩散段内的水流发生偏流；通过式(5)计算的边侧流道与中间流道的流道过流面积分配系数KA为1.44，明显大于1.1，说明上述两个因素一起导致了扩散内各流道内的流速分布不均匀、局部流速高，分流效果差。
针对原方案中存在的进/出水口分流隔墩布置不合理的问题，将引水隧洞与扩散段改为直线衔接；同时，根据本发明的方法对分流隔墩布置进行优化设计：因扩散段的平面扩散角α为30.0856°，利用式(1)计算，边侧分流墩的宽裕度系数KL1＝0，分流隔墩的宽裕度L1由2.64m(0.43b)调整为0.00m(0b)，L2由5.24m(0.85b)调整为2.46m(0.40b)；利用式(3)对分流隔墩的位置进行调整，将流道过流面积分配系数KA由1.44降至1.07，重新设计后，分流墩在扩散段起始端的宽度b1、b2分别为1.65m和1.45m。试验成果表明：优化方案各工况下，流道内的最大平均流速值均低于1.00m/s，分流效果良好。
实施例2：
某抽水蓄能电站装机容量1400MW，装设4台单机容量为350MW的水泵水轮发电电动机组，发电单机额定流量为68.54m3/s，抽水最大单机流量为57.92m3/s，引水系统采用1洞2机的布置方式，上水库布置有2个进/出水口，均采用侧式进/出水口。
根据工程设计条件，按现行设计导则和设计规范的要求对侧式进/出水口的基本体型进行设计：侧式进/出水口扩散段起始断面的宽度和高度分别为5.30m和7.30m，扩散段的平面扩散角α为22.2064°，扩散段长度为40.00m，顶扩张角为3.862°，扩散段出口断面的宽度和高度分别为21.00m和10.00m，采用2个1.00m分流隔墩将扩散段分成3个流道，引水隧洞与扩散段边墙采用半径为20.00m的圆弧曲线连接，扩散段进口前隧洞和扩散段的底坡i为0.00％。
根据本发明的方法对分流隔墩布置进行设计：因扩散段的平面扩散角α为22.2064°，引水隧洞与扩散段边墙采用半径为20.00m的圆弧曲线连接，利用式(2)计算，边侧分流墩的宽裕度系数KL1＝0.31，利用式(4)计算，分流隔墩的宽裕度L1为1.64m(0.31b)；利用式(5)对分流隔墩的位置进行设计，最终将流道过流面积分配系数KA定为1.01，分流墩中线在扩散段起始端的宽度b1、b2分别为1.62m和1.84m。试验成果表明：各工况下，流道内的最大平均流速值均低于0.90m/s，分流效果良好。

Claims (4)

1.一种侧式进/出水口扩散段体型的设计方法，其特征在于，
包括如下步骤：
S1.根据工程设计条件，对侧式进/出水口的基本体型进行设计，得到侧式进/出水口扩散段的基本体型参数，包括：侧式进/出水口扩散段的平面扩散角α、扩散段起始断面的宽度b、扩散段起始断面的高度d、分流隔墩的数量、各流道最小过流断面处的宽度ai、各流道在扩散段起始端的宽度bi、各流道最小过流断面处的高度hi、扩散段长度L、顶扩张角θ、扩散段出口断面宽度B、扩散段出口断面高度D；
S2.根据扩散段平面扩散角α的大小和扩散段与上游侧隧洞边墙的连接方式计算边侧分流隔墩的宽裕度系数KL1和中间分流隔墩的宽裕度系数KL2，计算公式如下：
i.当上游侧引水隧洞末端边墙与扩散段起始端边墙为直线连接时，宽裕度系数KL1按下式进行计算：
Figure FDA0002510764830000011
ii.当上游侧引水隧洞末端边墙与扩散段起始端边墙为圆弧曲线连接时，宽裕度系数KL1按下式进行计算：
Figure FDA0002510764830000012
式中：R为边墙连接圆弧曲线的半径；
iii.中间分流隔墩的宽裕度系数KL2的计算公式为：
Figure FDA0002510764830000013
S3.根据宽裕度系数KL1、KL2分别计算边侧分流隔墩的宽裕度L1和中间分流隔墩的宽裕度L2，宽裕度Li的计算公式为：
Li＝KLib (4)
S4.计算流道过流面积分配系数KA，判定流道过流面积分配系数KA是否在目标数值范围内，若KA值不在目标数值范围内，则调整分流隔墩之间的间距，并重新计算KA值，直至KA值在目标数值范围内，流道过流面积分配系数KA的计算公式为：
Figure FDA0002510764830000014
式中：A1、A2分别为扩散段边侧流道和中间流道的最小过流断面的面积，a1、h1分别为扩散段边侧流道最小过流断面处的宽度和高度；a2、h2分别为扩散段中间流道最小过流断面处的宽度和高度；
S5.判定KA值是否在目标数值范围内，若KA值在目标数值范围内，则各设计参数取值合理，设计完成；若KA值不在目标数值范围内，则调整各流道的间距，并重复步骤S4重新计算KA值，直至调整KA值在目标数值范围内。
2.根据权利要求1所述的侧式进/出水口扩散段体型的设计方法，其特征在于：所述步骤S5中，当KA值超过目标数值范围，则将边侧分流隔墩向边侧流道调整；当KA值不及目标数值范围，则将边侧分流隔墩向内侧中间流道调整。
3.根据权利要求1所述的侧式进/出水口扩散段体型的设计方法，其特征在于：所述步骤S5中，当KA＞1.1时，则将边侧分流隔墩向边侧流道调整；当KA＜1.0时，则将边侧分流隔墩向内侧中间流道调整。
4.根据权利要求2所述的侧式进/出水口扩散段体型的设计方法，其特征在于：所述步骤S5中，KA值的目标数值范围为1.0＜KA＜1.1。
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