CN114960571A - 一种抽水蓄能电站有压输水管道弯道突扩结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抽水蓄能电站有压输水管道弯道突扩结构，其包括依次连接的上游顺直段、突扩段、下游顺直段，突扩段的外侧和内侧分别相对上游顺直段和下游顺直段的外侧和内侧向外扩展形成扩展区域，使上游顺直段进入突扩段处的管道断面面积突然扩大，突扩段进入下游顺直段处的管道断面面积突然缩小，且突扩段的断面为椭圆曲线，突扩段的外侧曲线与内侧曲线采用不同的椭圆曲线方程，外侧椭圆曲线的长半轴大于内侧椭圆曲线的长半轴，外侧椭圆曲线的短半轴等于内侧椭圆曲线的短半轴。本发明能显著改善有压弯管内水流断面流速分布，削减抽水蓄能电站进/出水口扩散段水流偏流现象，满足相邻流道流量分配比和拦污栅断面过栅流速等设计指标要求。

Description

一种抽水蓄能电站有压输水管道弯道突扩结构
技术领域
本发明属于水力发电工程水力学范畴，特别涉及一种抽水蓄能电站有压输水管道弯道突扩结构。
背景技术
随着陆上风电、海上风电、太阳能电站等可再生能源的高速发展，以及核电站建设的稳步推进，抽水蓄能电站作为提高电力系统运行效率、保证核电站运行安全的重要措施，是电力系统中不可缺少的重要组成部分。抽水蓄能电站输水系统通常由上游进/出水口、有压输水管道、下游进/出水口三部分组成。由于受到工程地质条件、枢纽建筑物总体布置、施工条件及工程投资等方面的限制，输水管道通常需要利用弯道连接上下游输水管道(见图1)。
弯道水流运动特征与顺直水流有很大的差别，水质点除受重力作用之外，还受到离心力和惯性力的作用，水流具有向弯道凹岸(外侧)挤压的趋势，产生径向流动和垂向流动，并由此叠加形成次生螺旋流，弯道凹岸(外侧)流速显著高于弯道凸岸(内侧)流速，弯道断面流速分布不均匀，明显具有非均匀流动/偏流特性。尤其，当弯道紧邻电站进/出水口、非均匀流动进入/流出到进/出水口时，往往造成相邻流道流量分配比、拦污栅断面流速等设计指标不能满足规程规范的要求。通过对大量抽水蓄能电站进/出水口偏流现象的分析研究发现，弯道水流断面流速分布不均匀是造成偏流的一个重要原因。
目前，改善明渠弯道水流流态的方法，通常是在泄槽内设置特殊结构物，利用结构物的导控作用改变弯道水流流向及水面高程，主要结构物有：底板横向超高、底板导流墙/折流坎、分流墩及丁坝等，但上述导控措施基本不具备改善弯道水流断面流速分布的功能，且都是针对某一特定工程，针对明渠弯道，不具有普适性，难以推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有抽水蓄能电站有压输水管道弯道水流断面流速分布不均，易在进/出水口扩散段出现水流偏流现象的不足，本发明提供一种能改善弯道水流断面流速分布，削减抽水蓄能电站弯道进/出水口水流偏流现象，满足相邻流道流量分配比和拦污栅断面过栅流速等设计指标的抽水蓄能电站有压输水管道弯道突扩结构。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种抽水蓄能电站有压输水管道弯道突扩结构，其包括依次连接的上游顺直段、突扩段、下游顺直段，突扩段的外侧和内侧分别相对上游顺直段和下游顺直段的外侧和内侧向外扩展形成扩展区域，使上游顺直段进入突扩段处的管道断面面积突然扩大，突扩段进入下游顺直段处的管道断面面积突然缩小，且突扩段的断面为椭圆曲线，突扩段的外侧曲线与内侧曲线采用不同的椭圆曲线方程，外侧椭圆曲线的长半轴大于内侧椭圆曲线的长半轴，外侧椭圆曲线的短半轴等于内侧椭圆曲线的短半轴。
本发明利用输水管道弯道壁面突扩和突缩的方式打断了弯道外侧过流壁面的连续性，使之成为非连续曲面，扰乱了原有流场的连续性，从而促使水流在突扩段内侧(凸岸)具有压力减小的趋势，削弱水流向突扩段外侧(凹岸)挤压的趋势，使原有顺直弯道的径向流速、竖向流速均受到较大程度的抑制，次生螺旋流结构大幅减少。同时，由于突扩段扩展区域水流的剪切、卷吸、掺混作用增强，弯道外侧(凹岸)流速降低，断面流速分布均匀性显著改善。
优选地，所述上游顺直段的直径与下游顺直段的直径相同。
优选地，所述突扩段的外侧曲线满足以下要求：
(1)管道中心平面突扩段外侧扩展半径
Figure BDA0003690734870000021
(2)管道中心平面突扩段外侧扩展宽度
Figure BDA0003690734870000022
(3)突扩段横剖面外侧椭圆长半轴
Figure BDA0003690734870000023
(4)突扩段横剖面外侧椭圆短半轴
Figure BDA0003690734870000024
(5)突扩段外侧扩展区域面积
Figure BDA0003690734870000025
所述突扩段的内侧曲线满足以下要求：
(1)管道中心平面突扩段内侧扩展半径
Figure BDA0003690734870000026
(2)管道中心平面突扩段内侧扩展宽度
Figure BDA0003690734870000027
(3)突扩段横剖面内侧椭圆长半轴
Figure BDA0003690734870000028
(4)突扩段横剖面内侧椭圆短半轴b＝D/2，
(5)突扩段内侧扩展区域面积
Figure BDA0003690734870000029
其中D为顺直管道直径、R为弯道中心线转弯半径、α为弯道中心角。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用壁面突扩和突缩的方式打断了弯道外侧过流壁面的连续性，使之成为非连续曲面，扰乱了原有流场的连续性，原有顺直弯道的径向流速、竖向流速均受到较大程度的抑制，次生螺旋流结构大幅减少。
2、本发明利用突扩段扩展区域水流的剪切、卷吸、掺混作用增强，使弯道外侧/凹岸流速降低，断面流速分布均匀性显著改善。
3、本发明结构简单、适应性好、效果明显。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有抽水蓄能电站有压输水管道弯道平面示意图。
图2为本发明抽水蓄能电站有压输水管道弯道平面示意图。
图3为图2的A－A横剖面图。
图4为图2的B－B横剖面图。
图5为突扩段的扩展区域横剖面图。
图中主要元件符号说明：
1－输水管道外侧(凹岸)；11－上游顺直段外侧；12－弯道突扩段凹岸(外侧)；13－下游顺直段外侧；2－输水管道凸岸(内侧)；21－上游顺直段内侧；22－弯道突扩段凸岸(内侧)；23－下游顺直段内侧。
D－输水管道直径；R－弯道中心平面转弯半径；α－弯道圆心角；
Figure BDA0003690734870000031
－管道中心平面突扩段外侧扩展半径；d1－管道中心平面突扩段外侧扩展宽度；a1－突扩段横剖面外侧椭圆长半轴；b－突扩段横剖面外侧椭圆短半轴；S1－突扩段外侧扩展区域面积；
Figure BDA0003690734870000032
－管道中心平面突扩段内侧扩展半径；d2－管道中心平面突扩段内侧扩展宽度；a2－突扩段横剖面内侧椭圆长半轴；S2－突扩段内侧扩展区域面积。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
为了便于描述，各部件的相对位置关系，如：上、下、左、右等的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。
如图2－图5所示，本发明抽水蓄能电站有压输水管道弯道结构一实施例包括依次连接的上游顺直段、突扩段、下游顺直段。上游顺直段与下游顺直段的直径相同，且突扩段外侧12相对上游顺直段外侧11和下游顺直段外侧13向外扩展形成第一扩展区域S1，突扩段内侧22分别相对上游顺直段内侧21和下游顺直段内侧23向外扩展形成第二扩展区域S2，即上游顺直段的出口端与突扩段的进口端突扩连接，突扩段的出口端与下游顺直段的进口端突缩连接，使上游顺直段进入突扩段处的管道断面面积突然扩大，突扩段进入下游顺直段处的管道断面面积突然缩小。
本实施例中，本发明抽水蓄能电站有压输水管道弯道结构见图2，上游或下游顺直段横剖面、突扩段横剖面、突扩段扩展区域横剖面分别见图3～图5。如图4所示，突扩段的断面(横剖面)为椭圆曲线，且突扩段的外侧曲线与内侧曲线采用不同的椭圆曲线方程，外侧椭圆曲线的长半轴a1大于内侧椭圆曲线的长半轴a2，外侧椭圆曲线的短半轴b等于内侧椭圆曲线的短半轴b。
已知上游顺直段和下游顺直段的直径为D、弯道中心线转弯半径为R、弯道中心角为α，则所述突扩段的外侧曲线满足以下要求：
(1)管道中心平面突扩段外侧扩展半径
Figure BDA0003690734870000041
(2)管道中心平面突扩段外侧扩展宽度
Figure BDA0003690734870000042
(3)突扩段横剖面外侧椭圆长半轴
Figure BDA0003690734870000043
(4)突扩段横剖面外侧椭圆短半轴
Figure BDA0003690734870000044
(5)突扩段外侧扩展区域面积
Figure BDA0003690734870000045
所述突扩段的内侧曲线满足以下要求：
(1)管道中心平面突扩段内侧扩展半径
Figure BDA0003690734870000046
(2)管道中心平面突扩段内侧扩展宽度
Figure BDA0003690734870000047
(3)突扩段横剖面内侧椭圆长半轴
Figure BDA0003690734870000048
(4)突扩段横剖面内侧椭圆短半轴b＝D/2，
(5)突扩段内侧扩展区域面积
Figure BDA0003690734870000049
本发明抽水蓄能电站有压输水管道弯道结构及设计方法使用效果验证：
某抽水蓄能电站上水库布置1个侧式进/出水口，采用3隔墙4孔流道布置，输水管道洞径D为9m，底坡为5％，在管道桩号引水主洞0+104.847m处布置了一个平面弯段，弯段中心线的转弯半径R为40m，弯道中心角a为39.2675°。进/出水口各流道按进流方向从左至右依次编号为①流道、②流道、③流道、④流道，其中①流道为靠弯段内侧(凸岸)流道，②、③流道为中间流道，④流道为靠弯段外侧(凹岸)流道，通过水力学模型试验发现：在低水位4台机抽水运行工况下①～④流道的流量分配比依次为0.62∶0.72∶1.27∶1.40；高水位4台机抽水运行工况下①～④流道的流量分配比依次为0.59∶0.82∶1.28∶1.30，流量分配比呈现①、②流道流量分配少；③、④流道流量分配多的情况，且不满足各相邻流道流量分配不大于10％的规范要求。
按照本发明提供的设计方法对弯道突扩段的结构体型进行计算，求得：管道中心平面突扩段外侧扩展半径
Figure BDA0003690734870000051
管道中心平面突扩段外侧扩展宽度d1＝2.75m；突扩段横剖面外侧椭圆长半轴a1＝7.25m；突扩段横剖面外侧椭圆短半轴b＝4.5m；突扩段外侧扩展区域面积S1＝19.42m2；管道中心平面突扩段内侧扩展半径
Figure BDA0003690734870000052
管道中心平面突扩段内侧扩展宽度d2＝2.06m；突扩段横剖面内侧椭圆长半轴a2＝6.56m；突扩段横剖面内侧椭圆短半轴b＝4.5m；突扩段内侧扩展区域面积S2＝14.59m2。之后，按所得数据设计出有压输水管道突扩弯道，并选取上述两组同流量不同水位运行工况进行试验，低水位下流量分配比在0.87～1.12之间，拦污栅断面最大平均流速为0.81m/s；高水位下流量分配比在0.85～1.09之间，拦污栅断面最大平均流速为0.79m/s，设计指标满足了规程规范要求。可见，本发明提供的弯道突扩结构显著改善了进/出水口扩散段相邻流道流量分配比、拦污栅断面流速。
以上所述，仅为本发明的具体实施方案，但本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种抽水蓄能电站有压输水管道弯道突扩结构，其特征在于，包括依次连接的上游顺直段、突扩段、下游顺直段，突扩段的外侧和内侧分别相对上游顺直段和下游顺直段的外侧和内侧向外扩展形成扩展区域，使上游顺直段进入突扩段处的管道断面面积突然扩大，突扩段进入下游顺直段处的管道断面面积突然缩小，且突扩段的断面为椭圆曲线，突扩段的外侧曲线与内侧曲线采用不同的椭圆曲线方程，外侧椭圆曲线的长半轴大于内侧椭圆曲线的长半轴，外侧椭圆曲线的短半轴等于内侧椭圆曲线的短半轴。
2.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站有压输水管道弯道突扩结构，其特征在于，所述上游顺直段的直径与下游顺直段的直径相同。
3.根据权利要求2所述的抽水蓄能电站有压输水管道弯道突扩结构，其特征在于：
所述突扩段的外侧曲线满足以下要求：
(1)管道中心平面突扩段外侧扩展半径
Figure FDA0003690734860000011
(2)管道中心平面突扩段外侧扩展宽度
Figure FDA0003690734860000012
(3)突扩段横剖面外侧椭圆长半轴
Figure FDA0003690734860000013
(4)突扩段横剖面外侧椭圆短半轴
Figure FDA0003690734860000014
(5)突扩段外侧扩展区域面积
Figure FDA0003690734860000015
所述突扩段的内侧曲线满足以下要求：
(1)管道中心平面突扩段内侧扩展半径
Figure FDA0003690734860000016
(2)管道中心平面突扩段内侧扩展宽度
Figure FDA0003690734860000017
(3)突扩段横剖面内侧椭圆长半轴
Figure FDA0003690734860000018
(4)突扩段横剖面内侧椭圆短半轴b＝D/2，
(5)突扩段内侧扩展区域面积
Figure FDA0003690734860000019
其中D为顺直管道直径、R为弯道中心线转弯半径、α为弯道中心角。
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