抽水蓄能电站侧式进出水口水工模型试验研究

高雅芬，姚敏杰，韩 伟

(1．中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311222；2．浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018)

1 研究背景

进/出水口具有双向特点，是抽水蓄能电站中连接水库与机组的重要水工建筑物[1]。抽水蓄能电站分为侧式与竖井式，在建或已建的抽水蓄能电站主要采用侧式[2_3]。进/出水口的体型设计对水电站高效、经济运行有较大的影响[4]，设计不当会使电站运行过程中水流出现流态不稳定和流量分配不合理等问题；出现有害吸气漩涡、水头损失大、水动波动大等问题，恶劣时候甚至产生反向流速问题。因此，进行进/出水口水工模型试验很有必要[5]。

目前很多学者利用三维模拟和水工模型试验方法对侧式进/出水口水损、流态、漩涡的形成与变化进行规律性研究[6_9]。梅家鹏等[10]通过三维水动力模型，优化了进/出水口分流墩位置、孔宽和扩散角度。高学平等[11]建立典型进/出水口试验装置，利用粒子图像测速技术(PIV)和声学多普勒测速技术(ADV)测量进/出水口处的流速变化。Wei C Y等[12]对某抽水蓄能电站进/出水口进行数值模拟，并分析研究其产生的漩涡。上述学者们的成果和探讨为进/出水口体型设计提供了合理的依据。

2 工程概况

某抽水蓄能电站总装机容量1 200 MW(4×300 MW)，输水系统布置为两洞四机，由上库进/出水口及事故闸门井、引水管道、尾水管道、下库进/出水口及检修闸门井等组成[13]。输水系统总长约2 371.68 m(沿4号机)，其中引水系统全长约1 281.24 m，引水钢衬段长791.53 m，尾水系统全长约1 090.44 m，电站距高比为5.07。

3 进/出水口水头损失试验研究

水流运动过程中单位重量液体机械能的损失为水头损失，分为局部和沿程水头损失[14]。局部水头损失是抽水蓄能电站侧式进/出水口的主要水头损失,反映了水流在进/出水口处的能量损耗,影响着电站能量转换效率[15]。进/出水口段主要由扩散段、方变城门洞段、闸门井段、城门洞变圆段等组成。水头损失计算公式根据伯努利方程分别为：

抽水工况：h1-0=1+av2/2g-0

(1)

发电工况：h0-1=0-1-av2/2g

(2)

水头损失系数：ξ=2ghj/av2

(3)

式中，ξ为水头损失系数，hj为水头损失(j代表0-1或1-0)，0为库水位测压管水位，1为扩散段后1.5D断面测压管水位，a为动能修正系数，v为隧洞平均流速。

试验时，首先保证水流呈紊流，判别水流进入紊流阻力平方区的方法是测量进/出水口不同流量下的水头损失，计算得出的水头损失系数相近。

进/出水口水头损失模型试验的数据结果如下所示(见表1、图1)。水位为827 m时，该抽水蓄能电站上库进/出水口水头损失系数发电工况为0.265，抽水工况为0.475。通过对比进行过模型试验的同类型进/出水口的损失系数，如宜兴抽水蓄能电站上库进/出水口抽水工况为0.476；十三陵抽水蓄能电站下库进/出水口抽水工况为0.26。结果表明，本电站上库进/出水口水头损失系数与上述同类型的水头损失系数属同一水平，抽水和发电两种工况下，进/出水口水头损失随着流速水头的增加而增大。

利用（3）式将矩阵B进行化简发现它的行和与列和都为零，因此矩阵B总有特征向量(1,1,1,...)，其对应的特征值为0，这是拉普拉斯图矩阵的性质〔7〕，也是图分割的基础。

表1 侧式进/出水口水头损失

4 进/出水口流速分布试验研究

为防止拦污栅振动，保证流道流速分布均匀，通常要求此门槽处流速分布不均匀系数小于2.0[16]。拦污栅及前缘断面测点布置如下所示(见图2(a))。流速数值在1号进/出水口的各孔口处

(a)抽水工况

提取。孔口沿垂线分布分别为1-1、1-2、1-3、1-4，各孔口又提取左、中、右3条垂线上的流速(即1-4左、1-4中、1-4右)来研究同一孔口流速沿横向的变化。各垂线设5个测点，从孔口底部至顶部，位置如下所示(见图2(b))。

4.1 抽水工况

抽水工况时，上库进/出水口水流为出流状态，试验结果表明，各孔口前缘流速分布较均匀，平均流速为0.44～0.65 m/s(见表2、图3)。

表2 1号进/出水口前缘流速分布

(a)测点平面布置图

各孔口拦污栅断面流速分布较均匀，平均流速为0.63～0.77 m/s(拦污栅断面平均流速理想值0.686 m/s)，最大流速1.39 m/s。

各孔口流速不均匀系数为1.69～1.90(见表3、图4)，每个孔口测线上流速分布基本相同。

表3 1号进/出水口拦污栅断面流速分布

图4 1号进/出水口拦污栅断面流速分布

4.2 发电工况

发电工况时，上库进/出水口水流为进流状态。根据进/出水口试验结果表明，各孔口前缘流速分布较均匀，平均流速为0.36～0.49 m/s(见表4、图5)。

各孔口拦污栅断面流速分布较均匀，各孔口平均流速0.64～0.74 m/s(各孔口平均流速理想值0.707 m/s)，最大流速0.87 m/s。各孔口流速不均匀系数为1.12～1.25(见表5、图6)，每个孔口测线上流速分布基本相同。

表4 1号进/出水口前缘流速分布

图5 1号进/出水口前缘流速分布

表5 1号进/出水口拦污栅断面流速分布

图6 1号进/出水口拦污栅断面流速分布

5 进/出水口漩涡试验研究

目前抽水蓄能电站进/出水口前自由表面漩涡分为若干类。现工程中多采用美国麻省Worcester综合研究所Alden实验室的分类法，分为6种漩涡类型[17]：一二型为表面涡纹和微涡，流体旋转不明显或表面微凹，旋转的流体近于无漩涡，不引起危害，实际工程中可以存在。三四型为染料和挟物漩涡，染料或杂物跟随漩涡进入取水口，但没有空气吸入的漩涡，称为弱漩涡，它对机组与建筑物产生的危害不严重，但实际中也需防止。五六型为间歇吸气和连续吸气漩涡，漩涡中心为漏斗形气柱，空气能进入进/出水口，属于强漩涡，电站进水口通常不允许出现，会产生较严重的后果。

5.1 进/出水口漩涡判别

漩涡的形成在一定边界条件下与淹没深度、进口流速和尺寸相关，即相关于佛汝德数Fr，不出现吸气漩涡的临界淹没深度SC由下式确定:

SC=CVd1/2

(4)

式中，SC为临界淹没深度(从孔口顶部计算)；d为孔高；V为闸门引水道流速；C为系数，对称进水时取0.55，不对称时取0.73。

进水口的佛汝德数Fr应满足：

(5)

表6 进水口进流漩涡判别

5.2 进水口漩涡试验结果

一般情况下当Re及We不符合临界值要求时，试验应采用加大流量法对漩涡运动进行补充观察来消除模型缩尺因素的影响。本研究中模型为死水位时，加大2倍流量，Re及We均满足临界值要求。

试验结果表明，上库死水位，设计流量双机发电，进/出水口上方水面大多时间较平稳，某些孔口拦污栅断面处水面发生涡纹。将流量增至2倍，拦污栅断面处水面发生表面涡纹的孔口有所增多，涡纹强度略有增加。根据观测结果，并结合进水口漩涡经验公式判别结果(见表7)，死水位827 m；设计流量双机发电运行时，进/出水口将不产生有害漩涡。

表7 进/出水口漩涡情况

6 结 论

本文结合某抽水蓄能电站上库侧式进/出水口进行了水力特性模型试验研究。结果表明：不同流量下水头损失系数基本相同，紊流阻力平方区处水头损失系数与雷诺数无关。进/出水口出流和进流时，孔口前缘流速分布和拦污栅断面流速分布较均匀，各孔口左、中、右流速分布基本相同。漩涡的形成与相对淹没深度s/d和Fr的关系，进/出水口佛汝德数Fr<0.23,并相对淹没深度s/d>0.5，不产生有害的漩涡。