调压室位置变化对水力过渡过程的影响

李建斌 张晓宏 郝起礼

【摘要】结合实际工程以及阻抗式调压室的特点，建立水力过渡过程水锤基本方程及边界条件，结合工程实例计算研究阻抗式调压室布置位置的变化对压力隧洞末端水锤压力、调压室涌浪水位、蜗壳末端水锤压力的影响，这也是进行调压室水力过渡过程研究的目的所在。

【关键词】调压室；水锤压力；涌浪水位；水力过渡过程

引言

任何动力系统在运行的过程中，由于种种原因，正常的和非正常的，不可避免的从一种恒定状态转换到另一种恒定状态。这种转换不是瞬时完成的，总得有一个过程，这个过程就是过渡过程。当水流状态从一种稳定状态变为另一种稳定状态时，它的中间过渡流态称为水力过渡过程[1-2]。在水力过渡过程中，水锤是一个普遍存在的现象，因此在实际工程建设时常在有压引水隧洞与压力管道衔接处建造调压室以改善水锤压力的影响。在实际工程中调压室的布置位置关系到有压引水隧洞和压力管道的布置以及水力过渡过程的稳定性[3-4]。本文将结合工程实例在满足水轮机机组运行工况下，对压力管道水锤、调压室水位波动、引水隧洞的水锤压力进行计算研究，这些方面都是合理布置调压室所要考虑的主要因素，也是引水系统水力过渡过程研究的目的所在。

1、基本原理

在有压管道系统中，水流从一个稳定状态变化到另一个稳定状态的过程，称为有压管道

水力过渡过程。当管道内水流的流量或流速发生变化时会引起水压力的波动现象，这种现象

称为水锤（以往亦称为水击）现象。

水锤基本方程是依据牛顿第二定律和质量守恒定律并基于如下3条假设推导得出的：

（1）管道中的水流为均匀流，并且流速均匀分布在管道横截面上。

（2）管壁和液体是线弹性的，即应力与应变成比例，这对于大部分管道如金属、混凝土、木管以及衬砌和不衬砌的岩石隧洞都是真实的。

（3）计算管道中均匀流状态下的阻力损失公式，在水利过渡状态中是有效的。

由文献[5-7]可知，根据牛顿定理和质量守恒定律可以分别导出管道水流计算的运动方程和连续方程：

式（1）

式（2）

式中：H为水头；V为流速；X为流程；a为水击波传播速度；D为管径；t为时间；g为水流重力加速度；α为管道计算倾斜角，f为管道的计算摩擦阻力系数。上述两方程式组成了偏微分方程组[8]，其中为小项可忽略不计，将该方程组简化并转化成常微分方程组后，可得以下两个特征方程：

式（3）

式（4）

把一根长L的管道分成N段，每一段的长度为，并取时间步长，根据特征方程可以绘制出如图1所示平面上的矩形网格。

将特征方程沿特征线积分，其解的简化为：

式中CP、BP、CM、BM是时刻t-Δt的已知量，根据上述两方程可求得时刻t，管道P点的压力和流量。

2 边界条件的建立

如图2所示，调压室水位以水电站下游尾水位为计算基准面，向上为正，向下为负。

基本假定[9-10]：

（1）调压室内的水体惯性及摩擦阻力损失忽略不计；

（2）水流经过调压室阻抗孔口的水力损失符合恒定流定律；

（3）假定水流流入阻抗孔和流出阻抗孔时，阻抗孔的阻抗系数是一定的。

根据阻抗室调压室的水位波动变化，有：

式（12）

其中：

式中K为阻抗孔阻抗系数；为调压室断面面积；为t时刻时调压室水位；为t时刻时流过阻抗孔的水流流量，流出时为负；为阻抗孔流量系数， =0.6-0.8，取=0.7；S為阻抗孔断面面积。

3、结果与分析

某水电站整个引水系统由引水隧洞、两条引水发电支洞、和调压室三大部分组成。引水隧洞总长482.03米，洞径为10.0m及9.2m；引水隧洞的末端布置调压室，调压室下游两条发电引水支洞亦即压力管道的长度分别为246.704m和284.33m，洞径都是7.9m。

工况I：上游水位为校核洪水位（267.7m）时，两台机组同时丢弃负荷；工况II：上游水位为正常蓄水位（263.5m）时，两台机组同时丢弃负荷；工况III：上游水位为死水位（242.0m）时，一台机组停机，另一台机组增加满负荷。本工程实例将根据调压室的不同布置位置分为原始未移动的位置、移动位置1、移动位置2（见图3），对三种工况进行计算研究。移动位置1是将原调压室位置靠近厂房20m，移动位置2是将原调压室位置靠近厂房40m。 工况I计算结果见表1，工况II：计算结果见表2。

3.1 计算结果

3.2 计算结果分析

工况II下经计算分析，调压室位置变化对隧洞末端压力、调压室涌浪、蜗壳压力的影响跟工况I中的情况基本相同，所以在此不做过多分析。工况III的计算分析只是为了得到最低涌波水位，从而确定调压室的底板高程。总体分析：①甩负荷时，调压室位置由未移动向位置2改变使得隧洞末端压力逐渐升高。②甩负荷时，调压室位置由未移动向位置2改变使得调压室第一涌浪振幅逐渐升高，第二涌浪振幅逐渐降低。③甩负荷时，调压室位置由未移动向位置2改变使得蜗壳末端压力逐渐降低。④甩负荷时，调压室由未移动位置向位置2改变时，调压室涌浪波动衰减没有太大的变化；蜗壳末端压力在起始时刻有减小但对之后的衰减过程影响不大。

4、结语

本文结合工程实例，从水轮机的甩负荷工作工况进行分析了在阻抗升管式调压室中，改变调压室的位置对水力过渡过程的影响，通过对阻抗升管式调压室位置变化的计算分析，可以反映出调压室在不同位置时在水力过渡过程中的特点。本课题是一项很契合工程实际需要的研究，对水利水电工程的建设有很重要的作用和广泛的意义。

参考文献：

[1]魏先导.水力机组过渡过程计算[M].北京：水利电力出版社，1991.

[2]吴荣樵，陈鉴治.水电站的水力过渡过程[M].北京：中国水利水电出版社，1997.

[3]左东启等.水工设计手册（第七分册）[M].北京：水利电力出版社，1989.

[4]王树人. 水锤理论与计算方法[M]. 北京：清华大学出版社.1981.

[5]杨开林. 电站与泵站中的水力瞬变及调节[M]. 北京：中国水利水电出版社，1997.

[6]丁浩. 水电站有压引水系统非恒定流[M]. 北京：水利电力出版社，1986.

[7]E.B.怀利[美] V.L.斯特里特编， 瞬变流[M]. 北京：水利电力出版社，1983.2.

[8]刘启钊.水电站（第三版）[M].中国水利水电出版社，1998.

[9]王树人.调压室计算理论及方法[M].北京：清华大学出版社，1989.

[10]潘家铮，傅华编.水工隧洞和调压室[M].北京：水利电力出版社，1992.

作者简介：李建斌（1989- ），男，硕士研究生，甘肃金昌人，助理工程师，主要从事土地工程、水利工程研究。