CN117669005A - 一种连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法，涉及水力发电领域，在现行设计手册和规范的基础上引入偏流系数β、进流分流约束系数Ci这两个新的设计参数，并给出了各参数的明确定义和计算方法。通过偏流系数β量化弯道偏流效应对进/出水口分流的影响程度，进流分流约束系数Ci限定分流墩的调整幅度，能够极大程度地节省工作量和提高优化效率。本发明仅需调整分流墩的布置形式，便能实现进/出水口在不同运行工况下分流均匀的目标，适应性强，突破了平面转弯隧洞的布置位置需远离进/出水口30～40倍洞径的空间限制约束，节约了电站投资成本。

Description

一种连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法
技术领域
本发明涉及水力发电领域，特别是涉及一种连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法。
背景技术
在众多储能方式中，抽水蓄能电站凭借其调峰、调频、黑启动等优势，已成为可再生能源大规模发展的重要形式之一。进/出水口作为抽水蓄能电站系统中的基础建筑物，是实现电站水流控制和水能利用的关键部位，它的水力特性将直接影响电站的安全、高效运行。其布置形式多采用侧式进/出水口，进/出水口一般由两个分流墩隔成三流道或三个分流墩隔成四流道，各个流道的分流比是衡量进/出水口内部水力特性优劣的重要指标之一。根据设计规范要求，“相邻边、中孔流道的流量不均匀度不宜超过10％”。
在抽水蓄能电站设计中，进/出水口是通过有压输水隧洞与发电机组相连，因此，有压输水隧洞内部流态对进/出水口水力特性存在显著影响。为保证进/出水口内部流态良好，有压输水隧洞一般采用直线隧洞，宜避免采用弯道或将弯道布置在距离进/出水口较远的位置(位于30～40倍洞径以外)。然而，受地质条件或综合成本的限制，实际工程中有压隧洞布置形式不可避免的采用平面转弯隧洞。当隧洞的平面转弯段距离进/出水口较近时，弯道偏流现象将会直接影响进/出水口的流量分配，导致各流道分流不均。当前，关于侧式进/出水口的研究集中在与直线隧洞相接的进/出水口体型优化，鲜少考虑平面转弯隧洞对进/出水口水力特性的影响，尤其是涉及平面转弯隧洞下游直段长度有限(小于10D)的情况。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法，节省了工作量，提高了优化效率，适应性强，节约了电站投资成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法，包括以下步骤：
步骤一、根据实际工程运行条件，开展侧式进/出水口初始体型的设计，得到侧式进/出水口初始体型的基本设计参数：分流墩的数量n、各孔口最小过流断面处的宽度wi、各孔口最小过流断面处的高度hi；
步骤二、计算初始体型各个孔口的流道控制面积系数Ai，计算公式为：
式中，wi为各孔口最小过流断面处的宽度，hi为各孔口最小过流断面处的高度，n为分流墩的数量，i为孔口编号；
步骤三、计算初始体型出流工况时，各孔口过流量分配系数Qji，其中，j＝1，计算公式如下：
步骤四、计算初始体型进流工况时，各孔口过流量分配系数Qji，其中，j＝2，计算公式如下：
步骤五、各孔口过流量分配系数Qji目标值判定指标为：(Qji)max-(Qji)min≤10％，若Q1i、Q2i均满足目标范围，则初始体型满足规范分流要求，设计完成；若Q1i或Q2i不满足目标范围，则进行优化设计；
步骤六、计算初始体型出流工况时，各个孔口的流速分布系数Vi，计算方式如下：
式中，Ai为出流工况下第i孔的流道控制面积系数，Q1i为出流工况下第i孔的过流量分配系数；
步骤七、计算初始体型出流工况时，进/出水口的偏流系数β，计算方式如下
β＝(Vi)max/(Vi)min (5)；
步骤八、计算流道控制面积系数调整值ΔAi，计算方式如下：
若Q1i＞30％，
若Q1i＜20％，
步骤九、计算进流分流约束系数Ci，计算公式如下：
若Q1i＞30％，Ci≤Q2i-20％ (8)
若Q1i＜20％，Ci≤30％-Q2i (9)；
步骤十、根据初始体型出流时各孔口过流量分配系数Q1i、流道控制面积系数调整值ΔAi及进流分流比约束系数Ci，调整各流道最小过流断面的面积；
步骤十一、重复步骤二至步骤十，直至满足判定指标。
优选地，在步骤二中，n取值为2或3，i取值为1、2、3或1、2、3、4。
优选地，在步骤十中，各流道最小过流断面的面积的调整方式为：
若Q1i＞30％，减小i孔最小过流断面的面积，并使得
若Q1i＜20％，且当i孔两侧壁面未出现流动分离现象时，增大i孔最小过流断面的面积，并使得
若Q1i＜20％，且当i孔某侧壁面出现流动分离现象时，需优先削弱或消除壁面流动分离现象。
优选地，在步骤十中，若Q1i＜20％，且i孔右侧壁面出现流动分离，将i孔右侧的分流墩向左侧偏移；若Q1i＜20％，且i孔左侧壁面出现流动分离，将i孔左侧的分流墩向右侧偏移。
优选地，在步骤十中，调整各流道最小过流断面的面积的过程中，先调整边孔流道的最小过流断面的面积，再调整中孔流道的最小过流断面的面积。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法，在现行设计手册和规范的基础上引入偏流系数β、进流分流约束系数Ci这两个新的设计参数，并给出了各参数的明确定义和计算方法。通过偏流系数β量化弯道偏流效应对进/出水口分流的影响程度，进流分流约束系数Ci限定分流墩的调整幅度，能够极大程度地节省工作量和提高优化效率。本发明仅需调整分流墩的布置形式，便能实现进/出水口在不同运行工况下分流均匀的目标，适应性强，突破了平面转弯隧洞的布置位置需远离进/出水口30～40倍洞径的空间限制约束，节约了电站投资成本。
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，下面描述中的附图仅仅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为本发明提供的连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法的流程图；
图2为侧式进/出水口与有压输水隧洞的结构示意图；
图3为具有三分流墩四流道侧式进/出水口的平面示意图；
图4为具有三分流墩四流道侧式进/出水口的剖面示意图；
图5为原有方案中的边墩起始断面的流量分配示意图；
图6为原有方案中的中墩起始断面的流量分配示意图；
图7为采用本发明的连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法改善后的边墩起始断面的流量分配示意图；
图8为采用本发明的连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法改善后的中墩起始断面的流量分配示意图。
附图标记说明：1、一孔；2、二孔；3、三孔；4、四孔；5、边墩起始断面；6、中墩起始断面；7、分流墩。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法，节省了工作量，提高了优化效率，适应性强，节约了电站投资成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例中的某抽水蓄能电站侧式进/出水口与平面转弯隧洞相接，受空间限制，平面转弯隧洞与进/出水口之间的直隧洞段长度仅为洞径的6倍。如图5和图6所示，对与平面转弯输水隧洞连接的进/出水口流速分布进行分析可知，平面转弯隧洞的偏流效应导致进/出水口四个孔口分流不均匀：一孔1和二孔2流速低、分流少，而三孔3和四孔4流速高、分流大。但当前发布的设计手册和规范主要是关于与长直隧洞相接的侧式进/出水口设计方法，尚未对与平面转弯隧洞连接的进/出水口设计做出明确的规定或给出相关参考值。
如图1-图4所示，本实施例引入偏流系数β和进流分流约束系数Ci这两个新的设计参数，并对参数的取值进行了定义，基于此提供一种连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法，包括以下步骤：
步骤一、根据实际工程运行条件，开展侧式进/出水口初始体型的设计，得到侧式进/出水口初始体型的基本设计参数：分流墩的数量n、各孔口最小过流断面处的宽度wi、各孔口最小过流断面处的高度hi；
步骤二、计算初始体型各个孔口的流道控制面积系数Ai，流道控制面积系数Ai为各个孔口流道最小过流断面的面积与所有孔口流道最小过流断面面积总和之比，代表了各个孔口流道的设计过流能力，计算公式为：
式中，wi为各孔口最小过流断面处的宽度，hi为各孔口最小过流断面处的高度，n为分流墩7的数量，i为孔口编号；
步骤三、计算初始体型出流工况时，各孔口过流量分配系数Qji，其中，j＝1，计算公式如下：
步骤四、计算初始体型进流工况时，各孔口过流量分配系数Qji，其中，j＝2，计算公式如下：
步骤五、各孔口过流量分配系数Qji目标值判定指标为：(Qji)max-(Qji)min≤10％，若Q1i、Q2i均满足目标范围，则初始体型满足规范分流要求，设计完成；若Q1i或Q2i不满足目标范围，则进行优化设计；
过流量分配系数Qji为各个孔口流道过流量与总流量之比，j＝1时，为出流工况时各孔口过流量分配系数Q1i；j＝2时，为进流工况时各孔口过流量分配系数Q2i。过流量分配系数Qji反映了在弯道偏流效应的影响下各孔口的实际过流能力。
步骤六、计算初始体型出流工况时，各个孔口的流速分布系数Vi，流速分布系数Vi代表水流进入各孔口的流速分布情况，计算方式如下：
式中，Ai为出流工况下第i孔的流道控制面积系数，Q1i为出流工况下第i孔的过流量分配系数；
步骤七、计算初始体型出流工况时，进/出水口的偏流系数β，偏流系数β为流速分布系数的最大值与最小值之比，偏流系数β反映了弯道偏流效应引起的进/出水口偏流程度，该值越大，偏流越严重，计算方式如下
β＝(Vi)max/(Vi)min (5)；
步骤八、计算流道控制面积系数调整值ΔAi，计算方式如下：
若Q1i＞30％，
若Q1i＜20％，
步骤九、计算进流分流约束系数Ci，进流分流约束系数Ci是指在进/出水口进流时，各个孔口分流满足规范要求的前提下，各孔口分流比的可调范围，计算公式如下：
若Q1i＞30％，Ci≤Q2i-20％ (8)
若Q1i＜20％，Ci≤30％-Q2i (9)；
进流分流约束系数Ci是为了达到出流分流比满足规范的同时，进流分流比也满足规范要求的目的，这是因为进流分流比受进流条件影响，呈现出两侧分流大、中间分流小的特征，若为出流分流比满足规范要求而过于增大或减小某一孔口流道控制面积，可能导致进流分流比过大或过小而不满足规范要求。
步骤十、根据初始体型出流时各孔口过流量分配系数Q1i、流道控制面积系数调整值ΔAi及进流分流比约束系数Ci，调整各流道最小过流断面的面积；
步骤十一、重复步骤二至步骤十，直至满足判定指标。
具体地，在步骤二中，n取值为2或3，i取值为1、2、3或1、2、3、4。
具体地，在步骤十中，各流道最小过流断面的面积的调整方式为：
若Q1i＞30％，减小i孔最小过流断面的面积，并使得
若Q1i＜20％，且当i孔两侧壁面未出现流动分离现象时，增大i孔最小过流断面的面积，并使得
若Q1i＜20％，且当i孔某侧壁面出现流动分离现象时，需优先削弱或消除壁面流动分离现象。具体地，若Q1i＜20％，且i孔右侧壁面出现流动分离，将i孔右侧的分流墩7向左侧偏移；若Q1i＜20％，且i孔左侧壁面出现流动分离，将i孔左侧的分流墩7向右侧偏移。
具体地，在步骤十中，调整各流道最小过流断面的面积的过程中，先调整边孔流道的最小过流断面的面积，再调整中孔流道的最小过流断面的面积。
于本具体实施例中，某抽水蓄能电站下水库采用侧式进/出水口布置形式，进/出水口通过平面转弯隧洞与发电机组相连，受空间限制，平面转弯隧洞与进/出水口之间的直隧洞段长度仅为洞径的6倍。平面转弯隧洞的偏流效应导致进/出水口各孔口分流不均匀。针对该问题，采用本实施例中的方法对进出水口体型进行优化，具体如下：
步骤一、根据工程设计条件，参考现行设计手册和设计规范对侧式进/出水口的基本体型进行设计，得到初始体型的参数：分流墩7的数量n＝3，一孔1、二孔2、三孔3、四孔4的最小过流断面处的宽度分别为w1＝1.902m、w2＝2.057m、w3＝2.057m、w4＝1.902m，一孔1、二孔2、三孔3、四孔4的最小过流断面处的高度分别为h1＝10.039m、h2＝10.222m、h3＝10.222m、h4＝10.039m。
步骤二、采用公式(1)计算得到初始体型一孔1、二孔2、三孔3、四孔4的流道控制面积系数分别为A1＝23.8％、A2＝26.2％、A3＝26.2％、A4＝23.8％。
步骤三、使用公式(2)计算得到初始体型出流工况一孔1、二孔2、三孔3、四孔4的过流量分配系数分别为Q11＝18.84％、Q12＝16.37％、Q13＝30.32％、Q14＝34.47％。
步骤四、使用公式(3)计算得到初始体型进流工况一孔1、二孔2、三孔3、四孔4的过流量分配系数分别为Q21＝27.04％、Q22＝22.79％、Q23＝22.92％、Q24＝27.07％。可见，进流工况受前池影响，分流比呈现出两侧分流大、中间分流小的特征。
步骤五、出流工况：(Q1i)max-(Q1i)min＝18.1％≤10％，不满足规范要求；进流工况：(Q2i)max-(Q2i)min＝4.28％≤10％，满足规范要求。由于出流工况分流比不满足规范要求，故需要对进/出水口体型进行优化设计。
步骤六、采用公式(4)计算初始体型出流工况时，一孔1、二孔2、三孔3、四孔4的的流速分布系数分别为V1＝0.79、V2＝0.62、V3＝1.16、V4＝1.45。
步骤七、采用公式(5)计算初始体型出流工况时，进/出水口的偏流系数β＝2.34。
步骤八、采用公式(6)、(7)计算各流道控制面积系数调整值，得到：ΔA1≥0.50％、ΔA2≥1.55％、ΔA3≥0.14％、ΔA4≥1.91％。
步骤九、采用公式(8)、(9)计算各流道进流分流比约束系数，得到：C1≤2.94％、C2≤7.07％、C3≤2.96％、C4≤7.05％。
步骤十、如图2所示，边墩的起始位置与中墩的起始位置是不同的，如图5和图6所示，边墩起始断面5、中墩起始断面6及二者中间断面流速分布可知，弯道偏流现象导致一孔1和二孔2流速低、分流少，而三孔3和四孔4流速高、分流大；此外，右侧边墩位置布置不合适，导致二孔2右侧壁面出现流动分离，减小了二孔2的有效过流面积。
如图7和图8所示，采用本实施例中的方法进行优化设计，具体地，先调整两边孔流道的控制面积，且需优先考虑削弱二孔2右侧壁面流动分离现象。将右侧边墩向左侧偏移，一方面可扩大一孔1的过流面积，另一方面可削弱或者消除二孔2右侧壁面流动分流现象；将左侧边墩向左侧偏移，可减小四孔4的过流面积。
根据步骤十的计算结果可知，0.50％≤ΔA1≤1.26％、1.55％≤ΔA2≤3.02％、0.14％≤ΔA3≤1.26％、1.91％≤ΔA4≤3.01％，此处对ΔAi的范围进行计算时，取Ci的最大值进行计算。
本实施例将一孔1的流道控制面积系数增大0.63％，二孔2的流道控制面积系数增大2.27％，三孔3的流道控制面积系数减小0.15％，四孔4的流道控制面积系数减小2.75％。重新设计后，优化方案进流和出流工况，分流均匀，均满足规范要求。本实施例与原有方案不同运行工况下的进/出水口流量分配如表1所示。
表1本实施例与原有方案不同运行工况下的进/出水口流量分配对比表
可见，发电工况下，原有方案出流工况一孔1、二孔2、三孔3、四孔4的过流量分配系数分别分别为18.84％、16.37％、30.32％、34.47％，各孔过流量分配系数的最大差值达18.10％，不满足各孔过流量分配系数的差值不超过10％的规范要求。可见，出流工况受平面转弯隧洞影响，转弯段内侧两孔口(一孔1、二孔2)分流少，转弯段外侧两孔口(三孔3、四孔4)分流大。
相比之下，本实施例明显削弱了平面转弯隧洞引起偏流现象，使得出流工况一孔1、二孔2、三孔3、四孔4的过流量分配系数分别分别为27.06％、22.93％、22.96％、27.05％，各孔过流量分配系数的最大差值为4.13％，满足各孔过流量分配系数的差值不超过10％的规范要求，解决了平面转弯隧洞偏流现象所引起的出流工况流量分配不均匀的问题。
可见，为解决弯道偏流现象引起的进/出水口流量分配不均问题，本实施例创造性地引入偏流系数β、进流分流约束系数Ci两个设计参数，并给出了各参数的明确定义和计算方法。其中，偏流系数β量化了弯道偏流效应对进/出水口分流的影响程度，进流分流约束系数Ci限定了调整幅度，能够极大程度地节省工作量和提高优化效率。此外，本实施例中的设计方法仅需调整分流墩7的布置形式，便能实现进/出水口在不同运行工况下分流均匀的目标，适用性强，突破了转弯隧洞的布置位置需远离进/出水口30～40倍洞径的空间限制约束，能极大程度地节约电站投资成本。相比现有的技术，本实施例中的设计方法具有简单、经济、高效、适应性强的优点。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据实际工程运行条件，开展侧式进/出水口初始体型的设计，得到侧式进/出水口初始体型的基本设计参数：分流墩的数量n、各孔口最小过流断面处的宽度wi、各孔口最小过流断面处的高度hi；
步骤二、计算初始体型各个孔口的流道控制面积系数Ai，计算公式为：
式中，wi为各孔口最小过流断面处的宽度，hi为各孔口最小过流断面处的高度，n为分流墩的数量，i为孔口编号；
步骤三、计算初始体型出流工况时，各孔口过流量分配系数Qji，其中，j＝1，计算公式如下：
步骤四、计算初始体型进流工况时，各孔口过流量分配系数Qji，其中，j＝2，计算公式如下：
步骤五、各孔口过流量分配系数Qji目标值判定指标为：(Qji)max-(Qji)min≤10％，若Q1i、Q2i均满足目标范围，则初始体型满足规范分流要求，设计完成；若Q1i或Q2i不满足目标范围，则进行优化设计；
步骤六、计算初始体型出流工况时，各个孔口的流速分布系数Vi，计算方式如下：
式中，Ai为出流工况下第i孔的流道控制面积系数，Q1i为出流工况下第i孔的过流量分配系数；
步骤七、计算初始体型出流工况时，进/出水口的偏流系数β，计算方式如下
β＝(Vi)max/(Vi)min (5)；
步骤八、计算流道控制面积系数调整值ΔAi，计算方式如下：
若Q1i＞30％，
若Q1i＜20％，
步骤九、计算进流分流约束系数Ci，计算公式如下：
若Q1i＞30％，Ci≤Q2i-20％ (8)
若Q1i＜20％，Ci≤30％-Q2i (9)；
步骤十、根据初始体型出流时各孔口过流量分配系数Q1i、流道控制面积系数调整值ΔAi及进流分流比约束系数Ci，调整各流道最小过流断面的面积；
步骤十一、重复步骤二至步骤十，直至满足判定指标。
2.根据权利要求1所述的连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法，其特征在于，在步骤二中，n取值为2或3，i取值为1、2、3或1、2、3、4。
3.根据权利要求1所述的连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法，其特征在于，在步骤十中，各流道最小过流断面的面积的调整方式为：
若Q1i＞30％，减小i孔最小过流断面的面积，并使得
若Q1i＜20％，且当i孔两侧壁面未出现流动分离现象时，增大i孔最小过流断面的面积，并使得
若Q1i＜20％，且当i孔某侧壁面出现流动分离现象时，需优先削弱或消除壁面流动分离现象。
4.根据权利要求3所述的连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法，其特征在于，在步骤十中，若Q1i＜20％，且i孔右侧壁面出现流动分离，将i孔右侧的分流墩向左侧偏移；若Q1i＜20％，且i孔左侧壁面出现流动分离，将i孔左侧的分流墩向右侧偏移。
5.根据权利要求3所述的连接平面转弯隧洞的侧式进/出水口设计方法，其特征在于，在步骤十中，调整各流道最小过流断面的面积的过程中，先调整边孔流道的最小过流断面的面积，再调整中孔流道的最小过流断面的面积。
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