一種新型阻尼阻抗式調(diào)壓室實(shí)驗(yàn)研究

漆智鵬，鞠小明,2

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

0 引 言

水電站傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室的設(shè)計(jì)和使用已經(jīng)相當(dāng)成熟和普遍，也是實(shí)際工程中使用最廣泛的調(diào)壓室之一[1,2]。傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室依靠阻抗孔口的作用，阻抗孔口面積在滿足一定要求的前提下，既可以降低蝸殼和壓力鋼管的水錘壓力，又可以抑制調(diào)壓室的涌浪水位[3,4]。本文在傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室的基礎(chǔ)上，提出了一種新型阻尼阻抗式調(diào)壓室[5]，這種新型阻尼阻抗式調(diào)壓室在保留了傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，利用阻尼阻抗的作用可以極大抑制調(diào)壓室內(nèi)的水位波動(dòng)過程，不僅極大降低了機(jī)組甩負(fù)荷后的調(diào)壓室最高和最低涌浪水位波動(dòng)振幅，而且使得調(diào)壓室的水位波動(dòng)能夠快速穩(wěn)定，與傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室相比，可以降低調(diào)壓室的建造高度，減小施工開挖量，節(jié)省工程投資，具有實(shí)用和研究價(jià)值。新型阻尼阻抗式調(diào)壓室借鑒了“水錘爆破膜”的原理[6,7]，設(shè)計(jì)了一種新的阻尼阻抗孔口。為驗(yàn)證這種新型阻尼阻抗式調(diào)壓室的功能和效果，采用水力模型試驗(yàn)的手段和測試方法，分析比較了傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室和新型阻尼阻抗式調(diào)壓室的水力性能，為這種新型阻尼阻抗式調(diào)壓室的進(jìn)一步改進(jìn)和使用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 新型阻尼阻抗式調(diào)壓室的阻抗孔結(jié)構(gòu)與原理

1.1 新型阻尼阻抗孔口裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型阻尼阻抗式調(diào)壓室采用的阻尼阻抗孔基本原理如圖1所示，針對傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室阻抗孔口面積不能改變的現(xiàn)狀，將常規(guī)阻抗式調(diào)壓室的阻抗孔口設(shè)計(jì)成上下對稱的縮放管形式，中間布置可自由活動(dòng)的阻尼球，利用機(jī)械彈簧的自動(dòng)回復(fù)功能和流體阻力與流量或流速有關(guān)的原理[8,9]，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整阻尼大小的目的。阻尼球與彈簧構(gòu)成自動(dòng)可調(diào)面積和可調(diào)阻尼的新型阻抗孔口，并且雙向可調(diào)面積和阻尼大小。調(diào)壓室底板高程以上的井筒部分仍然和傳統(tǒng)調(diào)壓室相同，電站正常運(yùn)行調(diào)壓室水位恒定時(shí)阻尼球封閉阻抗孔口，阻尼球所處位置的面積即是常規(guī)阻抗式調(diào)壓室的阻抗孔口面積。圖中上擴(kuò)管中的上支架和下擴(kuò)管中的下支架分別采用十字梁固定在調(diào)壓室底板和底部隧洞上，上下支架分別與上下彈簧固定，彈簧直徑大于中間的阻抗孔口直徑，上彈簧下端與阻尼球之間采用可活動(dòng)連接，下彈簧上端與阻尼球之間也采用可活動(dòng)的連接，阻尼球向上壓縮上彈簧時(shí)下彈簧不動(dòng)，向下壓縮下彈簧時(shí)上彈簧不動(dòng)。上下支架之間布置一根鋼柱，位于彈簧中心位置，在阻尼球中間穿孔，套在鋼柱上，這樣阻尼球可上下自由移動(dòng)，阻尼球與孔口之間留有一定的間隙，便于水流通過形成壓力差，阻尼球起到類似“水錘爆破膜”中的膜瓣作用或安全閥的作用，只要調(diào)壓室底部壓力增加或減小，阻尼球就將離開中間平衡位置，放大阻抗孔口面積，達(dá)到減小水錘壓力的作用，同時(shí)在水錘壓力波快速消失后，調(diào)壓室水位波動(dòng)過程中阻尼球往復(fù)運(yùn)動(dòng)，減小阻抗孔口面積，增大阻尼作用，達(dá)到降低調(diào)壓室水位波動(dòng)幅值的作用。新型阻尼阻抗實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物照片如圖2所示，新型調(diào)壓室整體實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖1 阻尼阻抗孔裝置原理圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of damped impedance hole device

圖2 阻尼阻抗裝置實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photos of real situation of damped impedance device

圖3 調(diào)壓室整體實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device of new type surge chamber

1.2 工作原理

調(diào)壓室正常運(yùn)行時(shí)，無論調(diào)壓室的初始運(yùn)行水位高低，只要是恒定運(yùn)行工況，進(jìn)出調(diào)壓室的流量為零，阻尼球總是位于阻抗孔中央位置，封擋住大部分阻抗孔口的面積。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組丟棄負(fù)荷后，水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉，壓力鋼管壓力升高，調(diào)壓室底部壓力升高，水流向上流入調(diào)壓室井筒，向上推開阻尼球，阻抗孔口打開，防止壓力鋼管和水輪機(jī)蝸殼水錘壓力進(jìn)一步升高，并且壓縮上彈簧，下彈簧不動(dòng)，此時(shí)阻尼球位于上擴(kuò)管中，水流進(jìn)入調(diào)壓室時(shí)阻尼球形成流體阻力，制約了調(diào)壓室水位升高。隨著向上流入調(diào)壓室中的流量逐漸減小和水錘壓力的消失，阻尼球受到的向上的水壓力減小，在上彈簧的作用下，阻尼球慢慢向中間阻抗孔內(nèi)回復(fù)，阻抗孔口面積減小，進(jìn)一步制約調(diào)壓室的最高涌浪水位。當(dāng)機(jī)組增加負(fù)荷時(shí)，壓力鋼管壓力降低，調(diào)壓室底部壓力降低，水流由調(diào)壓室井筒向下流動(dòng)，向下推開阻尼球，阻抗孔同樣可以打開，防止壓力鋼管和水輪機(jī)蝸殼水錘壓力進(jìn)一步降低，并且壓縮下彈簧，上彈簧不動(dòng)，此時(shí)阻尼球位于下擴(kuò)管中，水流向下流出調(diào)壓室，阻尼球同樣形成流體阻力，制約調(diào)壓室的水位降低，其后在下彈簧作用下，阻尼球又回復(fù)到中間位置。因此這種設(shè)計(jì)可以雙向作用，比相同阻抗孔面積的傳統(tǒng)調(diào)壓室降低了水位波動(dòng)幅值，在不增加過多水錘壓力的前提下調(diào)壓室最高涌浪水位大大降低，可以降低調(diào)壓室的設(shè)計(jì)高度，節(jié)約調(diào)壓室的工程量和投資。同時(shí)還能提高調(diào)壓室的最低涌浪水位，有利于調(diào)壓室的運(yùn)行安全。特別是正常運(yùn)行時(shí)，由于阻尼球位于阻抗孔中央，并不完全封閉阻抗孔口，僅僅是縮小了阻抗孔口的面積，對電站引水系統(tǒng)的小波動(dòng)穩(wěn)定性更有利[7]。

2 新型阻尼阻抗式調(diào)壓室和傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室的實(shí)驗(yàn)成果對比和分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)某水電站阻抗式調(diào)壓室的實(shí)際尺寸按1∶50的比例縮小，建造了調(diào)壓室整體模型實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。模型調(diào)壓室井筒直徑322 mm，阻抗孔口直徑為70 mm。新型阻尼阻抗孔裝置上擴(kuò)孔直徑100 mm，長度120 mm，阻抗孔口直徑也為70 mm，下擴(kuò)孔直徑100 mm，長度120 mm，阻尼球直徑60 mm，實(shí)物如圖2所示。設(shè)計(jì)尺寸保證了上擴(kuò)孔橫截面面積減去阻尼球的橫截面面積后仍然大于阻抗孔的截面積。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

將傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室和新型阻尼阻抗式調(diào)壓室在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)比較。為了保證模型機(jī)組關(guān)閉時(shí)間相同，實(shí)驗(yàn)采用氣動(dòng)控制快速閥門進(jìn)行流量控制，模擬機(jī)組甩負(fù)荷過程。由于實(shí)驗(yàn)室氣動(dòng)閘門的關(guān)閉時(shí)間較快，采用快速攝影進(jìn)行時(shí)間記錄，以240幀/秒的速度來記錄氣動(dòng)閥門的關(guān)閉時(shí)間。通過多次反復(fù)試驗(yàn)，基本可以保證兩種調(diào)壓室的實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)組關(guān)機(jī)時(shí)間相同。使用泰斯特公司的數(shù)字壓力傳感器記錄相同長度和相同材料壓力鋼管的水錘壓力，進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)時(shí)傳感器設(shè)置位置完成相同，采用Smartsensor計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，直接用筆記本電腦進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)記錄和輸出。

2.3 實(shí)驗(yàn)成果對比和分析

實(shí)驗(yàn)在相同的水庫水位和初始流量下進(jìn)行，保證調(diào)壓室的初始運(yùn)行水位相同，比較閥門相同關(guān)閉時(shí)間下壓力鋼管的水錘壓力和調(diào)壓室水位波動(dòng)過程。通過試驗(yàn)，對比新型阻尼阻抗式調(diào)壓室與傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室的水力性能，得到最高涌浪水位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與壓力管道的水錘壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 新型阻尼阻抗式調(diào)壓室和傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室實(shí)驗(yàn)成果比較表Tab.1 Comparison of experimental results between the new type damped impedance surge chamber and the traditional one

從實(shí)驗(yàn)成果表1分析，傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室最高涌浪水位平均值255.04 cm，而新型阻尼阻抗式調(diào)壓室最高涌浪水位平均值只有247.16 cm，降低了7.88 cm。表1中每次實(shí)驗(yàn)的最高涌浪水位數(shù)值減去調(diào)壓室初始水位就是調(diào)壓室最高涌浪水位的升高值。機(jī)組甩負(fù)荷后傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室水位平均上升了21.04 cm，而新型阻尼阻抗式調(diào)壓室平均升高了13.16 cm。阻尼阻抗式調(diào)壓室最高涌浪水位相比于傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室降低了約37.45%，可見阻尼阻抗式調(diào)壓室可以極大降低最高涌浪水位，在實(shí)際工程運(yùn)用中，可以降低調(diào)壓室的建造高度，減小施工開挖量，節(jié)省工程投資。

圖4是兩種調(diào)壓室在丟棄相同負(fù)荷(模型測量的是機(jī)組流量)時(shí)的水位波動(dòng)過程，可以看出，相較于傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室，阻尼阻抗式調(diào)壓室的水位波動(dòng)振幅小，衰減快，更容易穩(wěn)定，并且最低涌浪水位較傳統(tǒng)調(diào)壓室更高，對水位波動(dòng)有明顯的抑制作用，說明調(diào)壓室的水位波動(dòng)性能更好。其原因是阻尼阻抗式調(diào)壓室可以利用阻尼球?qū)ψ杩箍卓诿娣e和阻尼雙向自動(dòng)調(diào)節(jié)，若將此調(diào)壓室應(yīng)用于水電站工程建設(shè)中，可以大量減少常規(guī)調(diào)壓室的開挖工程量，節(jié)省工程投資。

圖4 調(diào)壓室水位波動(dòng)圖Fig.4 Water level fluctuation process after load rejection

在降低水錘壓力方面，采用傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室的壓力管道水錘壓力平均值是139.49 kPa，而阻尼阻抗式調(diào)壓室平均值為161.18 kPa，水錘壓力升高了21.69 kPa。這是因?yàn)樽枘嶙杩故秸{(diào)壓室阻抗孔口增加了阻尼作用，壓力管道的水錘壓力有所升高是合理的，按照模型比尺1∶50計(jì)算，原型水錘壓力大約增加了15 m左右。這個(gè)水錘壓力的增加與阻尼彈簧的彈性系數(shù)有關(guān)，采用剛度越小的彈簧，水錘壓力的增加會(huì)越小，實(shí)驗(yàn)僅采用了一種彈性系數(shù)的彈簧，水錘壓力大約增加了15.55%左右。實(shí)測采用兩種調(diào)壓室的壓力鋼管水錘壓力變化過程如圖5所示。

圖5 管道水錘壓力Fig.5 Water hammer pressure in penstock

上述分析表明，新型阻尼阻抗式調(diào)壓室在降低調(diào)壓室水位波動(dòng)幅值方面有優(yōu)越性，在防止水錘壓力升高方面有不利的一面，如何尋求在降低涌浪水位波動(dòng)振幅的同時(shí)又不至于過多的提高水錘壓力，這是下階段需要繼續(xù)研究的工作，并且這種新型阻尼阻抗式調(diào)壓室的水力計(jì)算方法和數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究也是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容[11-14]，本文僅提供了該新型調(diào)壓室的水力實(shí)驗(yàn)成果。

3 結(jié) 語

本文介紹了新型阻尼阻抗式調(diào)壓室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，通過水力模型試驗(yàn)，證明了其在抑制調(diào)壓室水位波動(dòng)方面的優(yōu)越性。得到如下研究結(jié)論：

(1)阻尼阻抗調(diào)壓室能夠有效減小水位波動(dòng)振幅，降低最高涌浪水位，提高最低涌浪水位，調(diào)壓室水位波動(dòng)衰減快，相比于傳統(tǒng)阻抗式調(diào)壓室有更好的水位波動(dòng)水力性能。

(2)阻尼阻抗調(diào)壓室在有效減小水位波動(dòng)振幅的同時(shí)可能會(huì)增加壓力管道的水錘壓力，實(shí)驗(yàn)條件下水錘壓力增加不大，研究合適的阻尼彈簧和尋求最優(yōu)的總體效果是這種新型阻尼阻抗式調(diào)壓室研究的關(guān)鍵。 本文對新型阻尼阻抗式調(diào)壓室的實(shí)驗(yàn)研究為今后開發(fā)和研究新型調(diào)壓室提供了借鑒和參考。

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