摘要：针对带长连接管的调压室，为了施工方便，设计人员往往将阻抗孔口下置到连接管与输水隧洞相接处，阻抗孔口的位置对水电站水击压力、调压室涌浪和水击穿室系数的影响缺乏专门的研究。本文通过理论分析和模型验证的方法研究了带长连接管调压室的阻抗孔口位置对水击压力、调压室涌浪和水击穿室系数的影响规律。研究表明：对于带长连接管的水电站调压室，阻抗孔口应上置在连接管与调压室大井相接处，同时连接管直径越大，阻抗孔口上置后对水电站的调节保证设计参数和调压室涌浪越有利。该结论同样适用于气垫式调压室的设计中。
关键词：阻抗式调压室；水击压力；连接管；阻抗孔口位置
Study on optimal throttled orifice characteristics of surge chamber with long connecting pipe
WU Huaming1，WANG Bingbao 1，2，LI Xiaoqing2，ZHAO Lu2
（1.Hunan Provincial Key Laboratory of Key Technology on Hydropower Development，Changsha City 410000，China；2.POWER CHIAN ZHONGNAN ENGINEERING CORPORATION LIMITED，Changsha City 410000，China）
Abstract：In order to make construction convenient，designers often place the throttled orifice under the connection between the connecting pipe and the water conveyance tunnel for the surge chamber with long connecting pipes.However，there is no relevant research on the impact of the location of the throttled orifice on water hammer pressure，surge and water hammer pressure coefficient through it of hydropower station.
In this paper，the impact of the location of the throttled orifice on the water hammer pressure，surge and water hammer pressure coefficient through it is studied by the method of theoretical analysis and model verification.The research shows that for the surge chamber with long connecting pipe，the throttled orifice should be placed at the junction of the connecting pipe and the surge chamber.At the same time，the larger the diameter of the connecting pipe is，the better the regulation of the hydropower station is when the impedance hole is placed.The conclusion is also applicable to the design of air cushion surge chamber.
Key words：the throttled surge chamber；water hammer pressure；connecting pipe；the location of the throttled orifice
1 研究背景
对于长引水式水电站和抽水蓄能电站，由于引水隧洞坡度较大或机组安装高程较低，调压室连接管往往较长。此外，气垫式调压室同水道的连接同样需利用连接管，并设置阻抗［1］。连接管内水体动量（惯性）相对于引水（尾水）隧洞和压力管道（尾水管）内的动量（惯性）所占比重较大，连接管增长使调压室水位波动幅值减小，使水锤压力和穿井率增大［2］。设计中为了减轻长连接管带来的不利影响，往往在连接管内设置阻抗孔，并适当增加连接管断面尺寸，减小连接管内水体动量（惯性）。同时，将阻抗孔口下置到连接管与输水隧洞相接处以方便施工，但是阻抗孔口的位置和尺寸对水电站水击压力、调压室涌浪和水击穿室系数的影响缺乏专门的研究。
本文以理论分析和模型验证的方式，详细分析了阻抗孔口阻抗损失系数对调压室底部动水压力、蜗壳末端动水压力、调压室涌浪变化规律的影响。发现通过将连接管内阻抗孔口上置，可有效降低蜗壳末端最大动水压力值和调压室底部压力值，而调压室涌浪极值基本维持不变。此外，连接管直径越大，通过这种手段用来改善水电站调节保证设计参数的效果越明显。
2 基本方程和理论分析
在考虑管壁的弹性、水的可压缩性以及忽略摩擦力的情况下，非恒定管流所遵循的连续性方程和运动方程如下［2］：
图1水电站调压室系统示意图
式中V是时刻t位置x处的流速，H是时刻t位置x处测压管水头，g为重力加速度，a是水击波的传播速度，将方程（1）（2）联立，可以得到水击基本方程如下［3］：
这里，H（0）、V（0）是稳态是的测压管水头和流速， 为逆压波， 为顺压波。为了研究带长连接管调压室的水击波传播和反射情况，作如下假定：（1）连接管、压力引水道和压力管道交汇处各支管的进口存在压力相等的条件；（2）连接管、压力引水道和压力管道交汇处存在连续条件；（3）连接管与压力引水道和调压室大井相接处分别等效为下阻抗孔和上阻抗孔，下阻抗孔上下两点B1和B0的压力差等于下阻抗水头损失，上阻抗孔上下两点B4和B5的压力差等于下阻抗水头损失；（4）引水隧洞较长，不考虑隧洞中来自水库的反射波Ψ3。
考虑连接管内来自调压室大井反射波Ψ1的影响，可以得到压力引水道内透射波[3]为：
式中：K1为下阻抗孔口阻抗系数；Ψ1、φ1为调压室连接管内的折射波和反射波；Ψ2、φ2为压力管道中的入射波和反射波；φ3为隧洞中的透射波，Ψ3为隧洞中来自水库的反射波；u= u1+ u2+u3，ui=gfi/ai（i=1，2，3），fi、ai分别为第i管道中的管道截面积和波速，g为重力加速度。下阻抗孔口的水头损失系数采用水电站调压室设计规范选取，对于设置长连接管的阻抗式调压室，连接管与调压室大井相接处，存在一个局部水头损失，等效为上阻抗孔口，其水头损失系数同样采用水电站调压室设计规范选取即
图5 体型6下调压室底部压力、蜗壳末端压力和调压室涌浪波动过程
从图5中可以看出，两种不同体型调压室下，调压室底部最大动水压力值及发生时刻分别为748.648m（9.26s）和728.205m（9.26s），蜗壳末端最大动水压力值及发生时刻分别为798.068m（8.0s）和788.084m（8.0s），调压室最高涌浪及发生时刻分别为666.931m（71.84s）和667.827m（66.54s）。连接管直径越大，调压室底部最大动水压力值和蜗壳末端最大动水压力值越小，连接管内水体惯性越小，调压室涌浪振幅越大，波动周期越短。因此，在相同的阻抗损失系数下，应考虑采用采用管径较大的连接管直径来有效降低调压室底部最大动水压力值和蜗壳末端最大动水压力值。
体型1和体型6情况下蜗壳末端最大动水压力上升率较小，调压室涌浪较高，从抑制调压室水位波动振幅，加速水位波动衰减角度出发，应通过增大阻抗损失系数，降低调压室涌浪，保证蜗壳末端最大动水压力极值满足设计控制要求。
从表2中数据可以看出，当连接管直径分别采用3m和6m时，通过增大K1、K2之和降低调压室最高涌浪值，但同时也显著地提高了蜗壳末端最大动水压力值和调压室底部最大压力值。通过优化设计，采用体型5替代体型2时，蜗壳末端最大动水压力值降低了0.241m，调压室底部最大压力值降低了0.403m，调压室最高涌浪0.002m；当采用体型10替代体型7时，蜗壳末端最大动水压力值降低了1.894m，调压室底部最大压力值降低了2.694m，调压室最高涌浪0.022m；采用体型7替代体型2时，蜗壳末端最大动水压力值降低了4.569m，调压室底部最大压力值降低了9.768m，调压室最高涌浪0.286m；当采用体型10替代体型2时，蜗壳末端最大动水压力值降低了6.463m，调压室底部最大压力值降低了12.462m，调压室最高涌浪0.308m。
发现当连接管直径以及K1、K2之和一定时，随着K2逐渐增大，蜗壳末端最大动水压力值和调压室底部最大压力值逐渐减小，调压室涌浪基本不变。此外，连接管直径越大，增加K2值，减小K1值，蜗壳末端最大动水压力值和调压室底部压力值的降低效果越明显。带长连接管水电站调压室设计时，不考虑施工难度和增加的工程投资，应优先选择体型10。
图8 体型2、5、7和10下的水击穿室系数波动过程对比图
从图7中可以看出，流入调压室流量较小时，四种体型调压室连接管内反射波大小差别不大，当流入连接管流量最大时，连接管内反射波差异最大。从图8中可以看出，连接管直径越大，K1值越小，水击穿室系数越小，图中体型10的水击穿室系数最小。
4 结论
对于带长连接管的水电站调压室，从加大调压室水锤反射效果来说，连接管和阻抗孔口尺寸宜越大越好，但从抑制调压室水位波动振幅，加速调压室内水位波动的衰减过程的角度出发，上下阻抗孔口阻抗损失系数K1、K2之和不宜过小。本文通过理论分析和模型验证发现，在K1和K2之和无法减小的情况下，可以通过减小K1和增加K2，有效降低蜗壳末端最大动水压力值和调压室底部压力值，而调压室涌浪极值基本维持不变。此外，连接管直径越大，通过增加K2和减小K1值来改善蜗壳末端最大动水压力值和调压室底部压力值的效果越明显。带长连接管水电站调压室设计时，可通过增大连接管直径同时将阻抗孔口上置到连接管与大井相接处，改善水电站调节保证设计参数。
参考文献：
[1]程永光，陈鉴治，杨建东.连接管长度对调压井水位波动和水锤压力的影响[J].水利学报，2003（5）：46-51.
[2]马吉明.气垫式调压室水击穿室的理论分析[J].清华大学学报（自然科学版），1996，36（4）：65-69.
[3]张永良，刘天雄.气垫式调压室水击穿室的研究[J].人民珠江，1992（5）：27-33.
[4]邵卫云.天荒坪机组突甩负荷试验工况蜗壳进口压力的统计特性剖析[J].水力发电学报，2005，24（1）：79-82.
[5]中华人民共和国电力工业部.水电站调压室设计规范（DL/T 5058-1996）[S].北京：中国电力出版社，1997.
[6]Yong-liang，ZHANG，Ming-fei.Analytical study on water hammer pressure in pressurized conduits with a throttled surge chamber for slow closure[J].Water Science & Engineering，2010，03（2）：174-189.
论文作者:吴华明1,曾淑婷2,王炳豹3
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/20
标签：阻抗论文; 涌浪论文; 水压论文; 压力论文; 水电站论文; 体型论文; 系数论文; 《基层建设》2018年第36期论文;