調(diào)壓室位置變化對水力過渡過程的影響

李建斌 張曉宏 郝起禮

【摘要】結(jié)合實(shí)際工程以及阻抗式調(diào)壓室的特點(diǎn)，建立水力過渡過程水錘基本方程及邊界條件，結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算研究阻抗式調(diào)壓室布置位置的變化對壓力隧洞末端水錘壓力、調(diào)壓室涌浪水位、蝸殼末端水錘壓力的影響，這也是進(jìn)行調(diào)壓室水力過渡過程研究的目的所在。

【關(guān)鍵詞】調(diào)壓室；水錘壓力；涌浪水位；水力過渡過程

引言

任何動力系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，由于種種原因，正常的和非正常的，不可避免的從一種恒定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種恒定狀態(tài)。這種轉(zhuǎn)換不是瞬時(shí)完成的，總得有一個(gè)過程，這個(gè)過程就是過渡過程。當(dāng)水流狀態(tài)從一種穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，它的中間過渡流態(tài)稱為水力過渡過程[1-2]。在水力過渡過程中，水錘是一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象，因此在實(shí)際工程建設(shè)時(shí)常在有壓引水隧洞與壓力管道銜接處建造調(diào)壓室以改善水錘壓力的影響。在實(shí)際工程中調(diào)壓室的布置位置關(guān)系到有壓引水隧洞和壓力管道的布置以及水力過渡過程的穩(wěn)定性[3-4]。本文將結(jié)合工程實(shí)例在滿足水輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行工況下，對壓力管道水錘、調(diào)壓室水位波動、引水隧洞的水錘壓力進(jìn)行計(jì)算研究，這些方面都是合理布置調(diào)壓室所要考慮的主要因素，也是引水系統(tǒng)水力過渡過程研究的目的所在。

1、基本原理

在有壓管道系統(tǒng)中，水流從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)變化到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的過程，稱為有壓管道

水力過渡過程。當(dāng)管道內(nèi)水流的流量或流速發(fā)生變化時(shí)會引起水壓力的波動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象

稱為水錘（以往亦稱為水擊）現(xiàn)象。

水錘基本方程是依據(jù)牛頓第二定律和質(zhì)量守恒定律并基于如下3條假設(shè)推導(dǎo)得出的：

（1）管道中的水流為均勻流，并且流速均勻分布在管道橫截面上。

（2）管壁和液體是線彈性的，即應(yīng)力與應(yīng)變成比例，這對于大部分管道如金屬、混凝土、木管以及襯砌和不襯砌的巖石隧洞都是真實(shí)的。

（3）計(jì)算管道中均勻流狀態(tài)下的阻力損失公式，在水利過渡狀態(tài)中是有效的。

由文獻(xiàn)[5-7]可知，根據(jù)牛頓定理和質(zhì)量守恒定律可以分別導(dǎo)出管道水流計(jì)算的運(yùn)動方程和連續(xù)方程：

式（1）

式（2）

式中：H為水頭；V為流速；X為流程；a為水擊波傳播速度；D為管徑；t為時(shí)間；g為水流重力加速度；α為管道計(jì)算傾斜角，f為管道的計(jì)算摩擦阻力系數(shù)。上述兩方程式組成了偏微分方程組[8]，其中為小項(xiàng)可忽略不計(jì)，將該方程組簡化并轉(zhuǎn)化成常微分方程組后，可得以下兩個(gè)特征方程：

式（3）

式（4）

把一根長L的管道分成N段，每一段的長度為，并取時(shí)間步長，根據(jù)特征方程可以繪制出如圖1所示平面上的矩形網(wǎng)格。

將特征方程沿特征線積分，其解的簡化為：

式中CP、BP、CM、BM是時(shí)刻t-Δt的已知量，根據(jù)上述兩方程可求得時(shí)刻t，管道P點(diǎn)的壓力和流量。

2 邊界條件的建立

如圖2所示，調(diào)壓室水位以水電站下游尾水位為計(jì)算基準(zhǔn)面，向上為正，向下為負(fù)。

基本假定[9-10]：

（1）調(diào)壓室內(nèi)的水體慣性及摩擦阻力損失忽略不計(jì)；

（2）水流經(jīng)過調(diào)壓室阻抗孔口的水力損失符合恒定流定律；

（3）假定水流流入阻抗孔和流出阻抗孔時(shí)，阻抗孔的阻抗系數(shù)是一定的。

根據(jù)阻抗室調(diào)壓室的水位波動變化，有：

式（12）

其中：

式中K為阻抗孔阻抗系數(shù)；為調(diào)壓室斷面面積；為t時(shí)刻時(shí)調(diào)壓室水位；為t時(shí)刻時(shí)流過阻抗孔的水流流量，流出時(shí)為負(fù)；為阻抗孔流量系數(shù)， =0.6-0.8，取=0.7；S為阻抗孔斷面面積。

3、結(jié)果與分析

某水電站整個(gè)引水系統(tǒng)由引水隧洞、兩條引水發(fā)電支洞、和調(diào)壓室三大部分組成。引水隧洞總長482.03米，洞徑為10.0m及9.2m；引水隧洞的末端布置調(diào)壓室，調(diào)壓室下游兩條發(fā)電引水支洞亦即壓力管道的長度分別為246.704m和284.33m，洞徑都是7.9m。

工況I：上游水位為校核洪水位（267.7m）時(shí)，兩臺機(jī)組同時(shí)丟棄負(fù)荷；工況II：上游水位為正常蓄水位（263.5m）時(shí)，兩臺機(jī)組同時(shí)丟棄負(fù)荷；工況III：上游水位為死水位（242.0m）時(shí)，一臺機(jī)組停機(jī)，另一臺機(jī)組增加滿負(fù)荷。本工程實(shí)例將根據(jù)調(diào)壓室的不同布置位置分為原始未移動的位置、移動位置1、移動位置2（見圖3），對三種工況進(jìn)行計(jì)算研究。移動位置1是將原調(diào)壓室位置靠近廠房20m，移動位置2是將原調(diào)壓室位置靠近廠房40m。 工況I計(jì)算結(jié)果見表1，工況II：計(jì)算結(jié)果見表2。

3.1 計(jì)算結(jié)果

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

工況II下經(jīng)計(jì)算分析，調(diào)壓室位置變化對隧洞末端壓力、調(diào)壓室涌浪、蝸殼壓力的影響跟工況I中的情況基本相同，所以在此不做過多分析。工況III的計(jì)算分析只是為了得到最低涌波水位，從而確定調(diào)壓室的底板高程。總體分析：①甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓室位置由未移動向位置2改變使得隧洞末端壓力逐漸升高。②甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓室位置由未移動向位置2改變使得調(diào)壓室第一涌浪振幅逐漸升高，第二涌浪振幅逐漸降低。③甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓室位置由未移動向位置2改變使得蝸殼末端壓力逐漸降低。④甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓室由未移動位置向位置2改變時(shí)，調(diào)壓室涌浪波動衰減沒有太大的變化；蝸殼末端壓力在起始時(shí)刻有減小但對之后的衰減過程影響不大。

4、結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)例，從水輪機(jī)的甩負(fù)荷工作工況進(jìn)行分析了在阻抗升管式調(diào)壓室中，改變調(diào)壓室的位置對水力過渡過程的影響，通過對阻抗升管式調(diào)壓室位置變化的計(jì)算分析，可以反映出調(diào)壓室在不同位置時(shí)在水力過渡過程中的特點(diǎn)。本課題是一項(xiàng)很契合工程實(shí)際需要的研究，對水利水電工程的建設(shè)有很重要的作用和廣泛的意義。

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作者簡介：李建斌（1989- ），男，碩士研究生，甘肅金昌人，助理工程師，主要從事土地工程、水利工程研究。