活塞消能式调压室可行性研究
2017-05-16陶永霞丁泽霖刘子祺
陶永霞,丁泽霖,刘子祺
(1.黄河水利职业技术学院,河南开封475004；2.华北水利水电大学,河南郑州450045；3.黄河水利水电开发总公司,河南郑州450003)
活塞消能式调压室可行性研究
陶永霞1,丁泽霖2,刘子祺3
(1.黄河水利职业技术学院,河南开封475004；2.华北水利水电大学,河南郑州450045；3.黄河水利水电开发总公司,河南郑州450003)
在简单式调压室与阻抗式调压室的结构基础上,提出一种新型调压室——活塞消能式调压室,通过论述活塞消能式调压室的结构特点及工作原理,采取理论分析与模型试验相结合的方式,对活塞消能式调压室的消能效果进行了论证。试验结果显示,活塞式消能调压室消能效果与活塞阻抗板质量相关,质量越大消能效果越好；相较于简单式调压室,加入活塞的调压室,其水位波动时间短、振幅小,引水道-调压室稳定效果好。
模型试验；消能效果；水位波动；活塞消能式调压室
目前,调压室的基本类型有简单式调压室、阻抗式调压室、水室式调压室、溢流式调压室、差动式调压室等[1-2],都具有各自的优点与不足,如：简单式调压室,其压力管道与调压室连接段水头损失大,调压室内水位波动较大；阻抗式调压室的阻抗孔不能完全反射水锤波等问题。因此,基于传统调压室类型的基础上,研究一种新型调压室,减少调压室与引水道连接处的水头损失而不影响水锤波反射效果,减小调压室水位波动的振幅从而减小调压室容积,降低造价及运行成本,提高工程安全性、经济性是非常有意义的。
本文提出一种基于简单调压室与阻抗调压室的新型调压室——活塞消能式调压室,可减少调压室与引水道连接处的水头损失、减小调压室水位波动的振幅从而减小调压室容积,降低造价及运行成本,提高工程安全性及经济性。活塞式阻水板可以利用自重及与管壁摩擦消除其不稳定波动,从而提高引水道—调压室系统的工作稳定性。本文通过理论分析与模型试验相结合的方式,分析活塞消能式调压室的消能效果,为新型调压室的可行性提供理论依据。
1 结构与原理
1.1 结构设计
活塞式调压室基本构造如图1所示。调压室轮廓为简单式调压室,底部为具有阻抗孔的活塞式阻水板,阻水板由上支架、下支架和主轴支撑组成,阻水板在水流作用下可以沿主轴上下浮动。活塞式阻水板质量为m(其密度大于水密度),正常运行时,阻水板受自重影响位于调压室底部,由下支架支撑；当引用流量发生变化时,阻水板在水流作用下沿主轴上下浮动。
图1 活塞式调压室结构示意
1.2 工作原理
活塞式调压室工作原理为：当水轮机导叶关闭,引水道内水流由于惯性作用流向调压室,引水道内水流顶托活塞阻抗板一起向上抬升,水流对活塞做功,消耗引水道内水流惯性能量,从而减小调压室内水位波动振幅。活塞式调压室相较于简单式调压室具有以下优点：①活塞消能。活塞阻抗板与调压室壁接触,在水流作用下上下浮动,产生摩擦力,并产生势能,消耗水流惯性能。②阻抗孔消能。活塞板上设有阻抗孔,水流通过阻抗孔,消耗能量。③减小调压室连接段水头损失。正常运行时,活塞阻抗板由于重力作用,回落至压力水道连接处,减少水头损失。相较于阻抗式调压室,可活动的活塞阻抗板提高了调压室对水锤波的反射效果,以保证水锤波的充分反射。
2 理论分析
2.1 调压室基本方程解析
调压室有压引水系统[3]反映的是调压室与引水道断面之间的势能、惯性水头及水头损失之间的关系。文献[4,5]利用小参数幂的渐进展开方法,提出了阻抗式调压室甩负荷时涌浪计算的显示公式,即
(1)
2.2 活塞消能式调压室的波动解析
如前文所述,调压室的水位波动是由于引水道内水流惯性作用,是惯性能与势能的转化。阻抗式调压室是通过阻抗孔提高水流进出调压室的水头损失,从而减小调压室水位波动。活塞式调压室利用活塞自重及与调压室壁摩擦消能的方式,增大水能损失,从而减小水位波动。令K为调压室引起的能量损失,则有
(2)
将阻抗系数η改写为η′,即
η′=K/hw0
(3)
由此式(1)可改写为
(4)
从式(4)可以看出,Zmax与η′成反比关系,η′越大,涌浪高度Zmax越小。阻抗式调压室的底板可以认为是一个质量无穷大,水流的托举作用无法使底板上升只能由阻抗孔流入调压室,因此认为K
3 模型试验分析
3.1 活塞消能式调压室模型
依照原型为某水电站调压室,该调压室大井高60 m,直径9.9 m。几何比例尺为1∶100。模型整体结构如图2所示。
图2 模型示意(单位：cm)
3.2 活塞消能效果分析
根据前文分析可知,当相同尺寸活塞板,质量不同,对调压室消能效果的不同。因此,在试验中选用不同材质的活塞板,通过试验,得到加活塞(包含不同质量的活塞)与无活塞时水位波动的实验数据记录如表1所示。
从表1数据可得到活塞质量与活塞涌波关系图,如图3所示。
表1 不同材质活塞阻抗板消能效果
图3 活塞削波效果
从图3可以看出,在两种引水道长度下,数据都表现为活塞质量越大,减少调压室涌波的效果越好,水流顶托活塞上升做功越多,消耗引水道水流惯性能越多。试验结果与理论分析相一致,当活塞质量无穷大时,其消能效果最好,活塞式调压室功能与阻抗式一致,因此,活塞式调压室的消能效果介于简单式与阻抗式调压室之间。
3.3 引水道-调压室稳定
调压室的稳定情况如图4所示。
图4 调压室水位波动示意
从图4可以看出,相较于未加活塞的调压室水位波动情况,加入活塞的调压室,其水位波动时间短,波动振幅小,引水道—调压室稳定效果好。说明活塞式阻水板可以利用自重消除水位不稳定波动,提高引水道—调压室系统的工作稳定性,提高供电质量,减小调压室断面尺寸,降低调压室造价。
4 结 论
本文对活塞消能式调压室的结构特点及工作原理进行了论证,通过理论分析及模型试验,指出了其运行特点及消能效果,得到如下结论：
(1)活塞消能调压室可以降低调压室与过流通道间水头损失,减小调压室水位波动。
(2)通过理论分析可知,活塞式调压室涌浪高度高于阻抗式调压室,小于简单式调压室。
(3)通过模型试验可知,活塞质量越大,其减少调压室涌波的效果越好,试验结果与理论分析一致,当活塞质量无穷大时,其消能效果最好；加入活塞后,调压室内水位波动时间短,波动振幅小,引水道-调压室稳定效果好。
[1]张丽, 韩菊红. 水电站[M]. 郑州: 黄河水利出版社, 2009．
[2]程永光, 陈鉴治, 杨建东. 水电站调压室涌浪最不利叠加时刻的研究[J]. 水利学报, 2004(7): 109- 113．
[3]鞠小明, 陈家远. 调压室涌波叠加计算研究[J]. 四川水力发电, 1997(4)： 88- 90．
[4]张志昌, 刘松舰, 刘亚菲. 阻抗式和简单调压室甩荷时水位波动的显式计算方法[J]. 应用力学学报, 2004, 21(1): 50- 55．
[5]张健, 索丽生. 阻抗式调压室甩负荷涌浪计算显式公式[J]. 水力发电学报, 1992(2): 70- 74．
(责任编辑 焦雪梅)
Feasibility Study of Piston Energy Dissipation Surge Chamber
TAO Yongxia1, DING Zelin2, LIU Ziqi3
(1. Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng 475004, Henan, China;2. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, Henan, China;3. Yellow River Water Conservancy and Hydropower Development Corporation, Zhengzhou 450003, Henan, China)
A new type of surge tank—piston energy dissipation surge tank is proposed based on the structures of simple surge tank and throttled surge tank. The structure characteristics and operation principle of piston energy dissipation surge tank are introduced, and the energy dissipation effect is demonstrated by using theoretical analysis and model test. The experimental results show that: (a) the effect of energy dissipation is related to the quality of impedance plate, the higher the deadweight, the better the effect; and (b) compared to simple surge tank, the water-level fluctuation duration in piston surge tank is shorter, the amplitude is smaller and the stabilizing effect of surge tank with diversion channel is better．
model test; energy dissipation effect; water level fluctuation; piston energy dissipation surge chamber
2016- 05- 09
陶永霞(1971—),女,河南开封人,副教授,研究方向水利工程建筑设计及施工．
TV731
A
0559- 9342(2017)03- 0065- 03
