連接管長度對調(diào)壓井水位波動和水錘壓力的影響

1、連接收長度對調(diào)壓井水位波動和水錘壓力的影響摘要：本文目的在于答復(fù)調(diào)壓井連接收較長時，其內(nèi)水體慣性對調(diào)壓井水位波動和水錘壓力有何影響，有多大影響，設(shè)計中能不能忽略。文中首先通過理論和解析方法研究了連接收影響的性質(zhì)和規(guī)律；然后針對典型的水庫調(diào)壓井閥門引水系統(tǒng)，用特征線法計算，詳細分析了不同連接收長度下調(diào)壓井水位波動幅值、閥門端水錘壓力上升率、水錘穿井率的變化規(guī)律；最后以某抽水蓄能電站為實例進展了比照計算。研究說明，連接收增長使調(diào)壓井水位波動幅值減小，但幅度有限，通?？珊雎?；連接收使水錘壓力和穿井率增大，在實際工程可能的范圍內(nèi)其增幅有時較大，應(yīng)加以考慮。關(guān)鍵詞：調(diào)壓井水錘壓力水位波動連接收(1)波動

2、的周期是(2)以上兩式中F是調(diào)壓井的面積；g是重力加速度；符號中加撇的量是指考慮了連接收的影響。式(1)和(2)簡單地說明了連接收水體慣性的影響，它使波動振幅減小，周期增長。對于考慮引水洞水頭損失和調(diào)壓井阻抗損失的情況，雖然得不出以上顯式關(guān)系，但圖2中根據(jù)解析式得到的曲線仍然說明同樣的規(guī)律。雖然連接收水體的慣性對調(diào)壓井水位波動起阻尼作用，現(xiàn)象上與調(diào)壓井阻抗的作用相似，但它們的物理本質(zhì)不同。連接收水體的阻尼作用靠的是慣性力，它與水流的加速度成正比，在流量變化曲線上斜率大(流速的導(dǎo)數(shù)大)圖1水庫調(diào)壓井閥門系統(tǒng)示意處其作用大，其余部位作用校而調(diào)壓井阻抗的阻力靠的是水力損失，與流速的平方成正比，流量大

3、時它發(fā)揮的作用大。1.2連接收對水錘壓力的影響針對圖1所示的“水庫調(diào)壓井閥門系統(tǒng)進展分析。由于增加了連接收，調(diào)壓井底部B點變?yōu)槿砉?，從而該點的反射和透射特性發(fā)生變化。當(dāng)閥門關(guān)閉時，點產(chǎn)生的升壓波2傳到B點，在三岔管處產(chǎn)生反射降壓波2，反向朝點傳去；與此同時，透射到引水洞的升壓波向水庫點A傳去并被反射回來成為降壓波；透射到連接收的升壓波3向連接收末端D點傳去并被反射回來成為降壓波3；反射回的降壓波和3到達B點后又分別透射成和3也朝點傳去。根據(jù)岔管反射系數(shù)公式6，有(3)式中：a為波速，f是過水?dāng)嗝?，r是反射系數(shù)?？梢姡谝?、連接收和壓力管道的f/a值相等的情況下，壓力波2在B點的反射系數(shù)，

4、透射系數(shù)，即；考慮A點和D點的異號等值反射特性，知；而在沒有連接收的情況下r2接近-1，s2接近0，壓力傳播特性與“水庫閥門的簡單管系統(tǒng)相似。在反射降壓波2到達點時刻(即一相時刻Tr=2L2/a2)，降壓波和3還未到達，所以在一相以前，考慮和不考慮連接收的點壓力變化是一樣的；而在2到達點之后，由于考慮連接收后的降壓波2數(shù)值要比不考慮時小很多，而且和3一般不會同期到達，因此總的降壓波小，所以在一相以后，計入連接收的水錘壓力要比不計連接收的大。換句話說，假設(shè)最大水錘壓力發(fā)生在一相時刻，那么考慮和不考慮連接收，最大壓力的結(jié)果是一樣的，盡管一相時刻以后的壓力過程曲線有變化；假設(shè)最大水錘發(fā)生在一相時刻以

5、后，由于反射回來的降壓波小而且分散，所以水錘壓力往往比沒有連接收時大。從另外的角度看，由于連接收內(nèi)水體慣性的作用，調(diào)壓井的反射作用降低，所以水錘壓力將增大。另一方面，根據(jù)三岔管特性，透射波占入射波2的比重較大，所以考慮連接收后引水洞承受的壓力將增大。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.2數(shù)值模擬分析2.1數(shù)學(xué)模型這里應(yīng)用特征線法對圖1所示的引水系統(tǒng)進展過渡過程數(shù)值模擬。引水洞、壓力管道和連接收的內(nèi)點都用特征線法計算3，其中連接收計入了管道斜坡項-Vsin的影響4。閥門和水庫的邊界條件與文獻2一樣。三岔管取常用的岔管邊界條件，沒有考慮岔管水頭損失2。連接收末端D點的邊界條件是：HD,t=Zt+D,t|QD,t

6、|(4)(5)圖2調(diào)壓井最高涌浪隨連接收增長而降低2.3連接收長度對水錘壓力影響的模擬分析仍然取上述引水系統(tǒng)和調(diào)壓井參數(shù)，固定=0.004，計算不同閥門關(guān)閉相數(shù)tS所對應(yīng)的閥門端和引水洞中的最大水錘。首先計算直接水錘(tS=0.015)以驗證以上分析，由圖3可見，無連接收(L3=0)情況下，閥端水頭變化近似方波(受摩阻影響略有衰減)；有連接收(L3=100)情況下，閥端水頭變化過程在一相前與無連接收的壓力變化過程完全重合，之后受分散傳播回來的反射波影響，變化曲線越來越不規(guī)那么，其最大水頭明顯超過無連接收情況；由于岔管特性，一局部水錘壓力透入引水洞，使引水洞承受較大的動水壓力(見圖3(b)壓力包

7、絡(luò)線)。不考慮摩阻作解析分析時，閥門關(guān)閉所產(chǎn)生的升壓波747.6，根據(jù)式(3)，本例的反射系數(shù)r2=-0.5512，透射系數(shù)s2=0.4488，于是反射降壓波2-412.1，透射波335.5。圖3上可以清楚看出這些波的傳播和反射，其數(shù)值也與解析結(jié)果根本吻合。然后計算間接水錘(ts=7.5)，得到圖4，它仍然反映了連接收使水錘壓力增大，調(diào)壓井作用降低，水錘透入引水洞的現(xiàn)象。透入引水洞的水錘的最大值可能發(fā)生在引水洞的頭部或中部(見圖3(b)圖4(b)。圖3連接收對直接水錘的影響圖4連接收對間接水錘的影響為分析規(guī)律，在其他計算條件不變的情況下，取不同的ts(對應(yīng)不同的無連接收的閥端壓力上升率0，雖然

8、抽水蓄能電站的導(dǎo)葉關(guān)閉時間一般較長，但由于可逆式水輪機的特性，水錘壓力通常較大)，通過改變L3來計算連接收對水錘壓力上升率的影響。圖5顯示，對所有情況，連接收增長時水錘壓力均增大，而且0越大，的增加越明顯。0=0.8453的曲線在L3/L2=0.4之后變?yōu)槌潭?，原因是隨L3的增大，ts=1.5對應(yīng)的水錘由間接水錘變?yōu)橹苯铀N(以L2+L3為水錘傳播途徑計算)，而且該直接水錘的最大壓力發(fā)生在一相時刻之前。在實際工程可能的0量級0.150.7和長度比L3/L2=160/400=0.4的情況下,(-0)/0能到達2035%，可見連接收長度對壓力上升率影響是十清楚顯的。圖6展示連接收長度對透入引水洞水

9、錘的影響，可見，L3/L2增大時，引水洞內(nèi)最大水錘壓力HTun=HTun-HRes也增大，而且引水洞最大壓力與閥門端最大壓力的比值HTun/H(穿井率)總體上也增大，說明水錘壓力的穿井率增大，調(diào)壓井的作用在降低。0小時，穿井率隨L3/L2的增長緩，0大時，穿井率增大加快。圖6(b)顯示，L3/L2=0.4時，HTu/H能到達2035%。圖5連接收對閥門端水錘壓力的影響圖6連接收對透入引水洞水錘的影響3實例計算某抽水蓄能電站裝機4300其引水系統(tǒng)布置和管道主要參數(shù)見表1。在上庫水位760，下庫水位205條件下作水輪機運行時，單機引用流量703/s。四臺機同時甩負荷工況的水錘和水位的最大最小值列于

10、表2，蝸殼末端和尾水管進口的水頭變化過程繪于圖7?？梢娺B接收對水錘壓力的影響較明顯，特別是尾水管進口壓力相差3.7，該數(shù)值在尾水管進口負壓處于臨界狀態(tài)時尤為重要，在計算中必須加以考慮。圖7某抽水蓄能電站蝸殼末端和尾水管進口水頭變化過程表1某抽水蓄能電站引水系統(tǒng)布置及參數(shù)引水洞上調(diào)連接收高壓主管高壓支管尾水支管尾水主管下調(diào)連接收尾水洞長度/直徑/15348.51228.58808.51721923.51331574.0258.5628.515138.5表2水錘和水位計算結(jié)果(水頭以下庫水位為基準(zhǔn))蝸殼末端最大水頭/尾水管進口最小水頭/上調(diào)最高水位/下調(diào)最低水位/不計連接收計入連接收差值686.6

11、6688.451.79-35.23-38.93-3.70775.31775.19-0.12185.29185.560.274結(jié)論連接收增長時，調(diào)壓井水位波動幅值減小，波動周期增長。實際工程的連接收與引水洞長度之比一般在10%以下，連接收對調(diào)壓井水位幅值的影響不大，通?？珊雎?。連接收增長時，水錘壓力將增大，調(diào)壓井作用降低，透入引水洞的水錘壓力增大。實際工程中，連接收與壓力管道長度之比有時較大，特別是尾水調(diào)壓室，為了限制尾水管進口不出現(xiàn)負壓，尾水管通常較短，如本文實例中長度比到達了35%左右，此時連接收會使水錘壓力有明顯升高，水錘穿井率增大，故須引起重視，在計算中加以考慮。連接收長度(慣性)對小波動穩(wěn)定的影響值得研究。參考文獻：1張師華.抽水蓄能電站的水力過渡過程.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996.3.2馬善定，汪如澤.水電站建筑物.北京：水利水電出版社，1996，10.3ylieEB,StreeterVL,SuLS.Fluidtransientsinsystes.Pren