一種新型阻尼阻抗式調壓室實驗研究

漆智鵬，鞠小明,2

(1.四川大學水利水電學院，成都 610065；2.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065)

0 引 言

水電站傳統阻抗式調壓室的設計和使用已經相當成熟和普遍，也是實際工程中使用最廣泛的調壓室之一[1,2]。傳統阻抗式調壓室依靠阻抗孔口的作用，阻抗孔口面積在滿足一定要求的前提下，既可以降低蝸殼和壓力鋼管的水錘壓力，又可以抑制調壓室的涌浪水位[3,4]。本文在傳統阻抗式調壓室的基礎上，提出了一種新型阻尼阻抗式調壓室[5]，這種新型阻尼阻抗式調壓室在保留了傳統阻抗式調壓室優勢的基礎上，利用阻尼阻抗的作用可以極大抑制調壓室內的水位波動過程，不僅極大降低了機組甩負荷后的調壓室最高和最低涌浪水位波動振幅，而且使得調壓室的水位波動能夠快速穩定，與傳統阻抗式調壓室相比，可以降低調壓室的建造高度，減小施工開挖量，節省工程投資，具有實用和研究價值。新型阻尼阻抗式調壓室借鑒了“水錘爆破膜”的原理[6,7]，設計了一種新的阻尼阻抗孔口。為驗證這種新型阻尼阻抗式調壓室的功能和效果，采用水力模型試驗的手段和測試方法，分析比較了傳統阻抗式調壓室和新型阻尼阻抗式調壓室的水力性能，為這種新型阻尼阻抗式調壓室的進一步改進和使用提供試驗依據。

1 新型阻尼阻抗式調壓室的阻抗孔結構與原理

1.1 新型阻尼阻抗孔口裝置結構設計

新型阻尼阻抗式調壓室采用的阻尼阻抗孔基本原理如圖1所示，針對傳統阻抗式調壓室阻抗孔口面積不能改變的現狀，將常規阻抗式調壓室的阻抗孔口設計成上下對稱的縮放管形式，中間布置可自由活動的阻尼球，利用機械彈簧的自動回復功能和流體阻力與流量或流速有關的原理[8,9]，達到自動調整阻尼大小的目的。阻尼球與彈簧構成自動可調面積和可調阻尼的新型阻抗孔口，并且雙向可調面積和阻尼大小。調壓室底板高程以上的井筒部分仍然和傳統調壓室相同，電站正常運行調壓室水位恒定時阻尼球封閉阻抗孔口，阻尼球所處位置的面積即是常規阻抗式調壓室的阻抗孔口面積。圖中上擴管中的上支架和下擴管中的下支架分別采用十字梁固定在調壓室底板和底部隧洞上，上下支架分別與上下彈簧固定，彈簧直徑大于中間的阻抗孔口直徑，上彈簧下端與阻尼球之間采用可活動連接，下彈簧上端與阻尼球之間也采用可活動的連接，阻尼球向上壓縮上彈簧時下彈簧不動，向下壓縮下彈簧時上彈簧不動。上下支架之間布置一根鋼柱，位于彈簧中心位置，在阻尼球中間穿孔，套在鋼柱上，這樣阻尼球可上下自由移動，阻尼球與孔口之間留有一定的間隙，便于水流通過形成壓力差，阻尼球起到類似“水錘爆破膜”中的膜瓣作用或安全閥的作用，只要調壓室底部壓力增加或減小，阻尼球就將離開中間平衡位置，放大阻抗孔口面積，達到減小水錘壓力的作用，同時在水錘壓力波快速消失后，調壓室水位波動過程中阻尼球往復運動，減小阻抗孔口面積，增大阻尼作用，達到降低調壓室水位波動幅值的作用。新型阻尼阻抗實驗裝置的實物照片如圖2所示，新型調壓室整體實驗裝置如圖3所示。

圖1 阻尼阻抗孔裝置原理圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of damped impedance hole device

圖2 阻尼阻抗裝置實物照片Fig.2 Photos of real situation of damped impedance device

圖3 調壓室整體實驗裝置Fig.3 Experimental device of new type surge chamber

1.2 工作原理

調壓室正常運行時，無論調壓室的初始運行水位高低，只要是恒定運行工況，進出調壓室的流量為零，阻尼球總是位于阻抗孔中央位置，封擋住大部分阻抗孔口的面積。當水輪發電機組丟棄負荷后，水輪機導葉關閉，壓力鋼管壓力升高，調壓室底部壓力升高，水流向上流入調壓室井筒，向上推開阻尼球，阻抗孔口打開，防止壓力鋼管和水輪機蝸殼水錘壓力進一步升高，并且壓縮上彈簧，下彈簧不動，此時阻尼球位于上擴管中，水流進入調壓室時阻尼球形成流體阻力，制約了調壓室水位升高。隨著向上流入調壓室中的流量逐漸減小和水錘壓力的消失，阻尼球受到的向上的水壓力減小，在上彈簧的作用下，阻尼球慢慢向中間阻抗孔內回復，阻抗孔口面積減小，進一步制約調壓室的最高涌浪水位。當機組增加負荷時，壓力鋼管壓力降低，調壓室底部壓力降低，水流由調壓室井筒向下流動，向下推開阻尼球，阻抗孔同樣可以打開，防止壓力鋼管和水輪機蝸殼水錘壓力進一步降低，并且壓縮下彈簧，上彈簧不動，此時阻尼球位于下擴管中，水流向下流出調壓室，阻尼球同樣形成流體阻力，制約調壓室的水位降低，其后在下彈簧作用下，阻尼球又回復到中間位置。因此這種設計可以雙向作用，比相同阻抗孔面積的傳統調壓室降低了水位波動幅值，在不增加過多水錘壓力的前提下調壓室最高涌浪水位大大降低，可以降低調壓室的設計高度，節約調壓室的工程量和投資。同時還能提高調壓室的最低涌浪水位，有利于調壓室的運行安全。特別是正常運行時，由于阻尼球位于阻抗孔中央，并不完全封閉阻抗孔口，僅僅是縮小了阻抗孔口的面積，對電站引水系統的小波動穩定性更有利[7]。

2 新型阻尼阻抗式調壓室和傳統阻抗式調壓室的實驗成果對比和分析

2.1 實驗裝置和實驗過程

根據某水電站阻抗式調壓室的實際尺寸按1∶50的比例縮小，建造了調壓室整體模型實驗裝置，如圖3所示。模型調壓室井筒直徑322 mm，阻抗孔口直徑為70 mm。新型阻尼阻抗孔裝置上擴孔直徑100 mm，長度120 mm，阻抗孔口直徑也為70 mm，下擴孔直徑100 mm，長度120 mm，阻尼球直徑60 mm，實物如圖2所示。設計尺寸保證了上擴孔橫截面面積減去阻尼球的橫截面面積后仍然大于阻抗孔的截面積。

2.2 實驗過程

將傳統阻抗式調壓室和新型阻尼阻抗式調壓室在相同的試驗條件下進行試驗比較。為了保證模型機組關閉時間相同，實驗采用氣動控制快速閥門進行流量控制，模擬機組甩負荷過程。由于實驗室氣動閘門的關閉時間較快，采用快速攝影進行時間記錄，以240幀/秒的速度來記錄氣動閥門的關閉時間。通過多次反復試驗，基本可以保證兩種調壓室的實驗裝置的機組關機時間相同。使用泰斯特公司的數字壓力傳感器記錄相同長度和相同材料壓力鋼管的水錘壓力，進行比較實驗時傳感器設置位置完成相同，采用Smartsensor計算機數據采集軟件進行實驗數據采集，直接用筆記本電腦進行壓力數據記錄和輸出。

2.3 實驗成果對比和分析

實驗在相同的水庫水位和初始流量下進行，保證調壓室的初始運行水位相同，比較閥門相同關閉時間下壓力鋼管的水錘壓力和調壓室水位波動過程。通過試驗，對比新型阻尼阻抗式調壓室與傳統阻抗式調壓室的水力性能，得到最高涌浪水位實驗數據與壓力管道的水錘壓力試驗數據如表1所示。

表1 新型阻尼阻抗式調壓室和傳統阻抗式調壓室實驗成果比較表Tab.1 Comparison of experimental results between the new type damped impedance surge chamber and the traditional one

從實驗成果表1分析，傳統阻抗式調壓室最高涌浪水位平均值255.04 cm，而新型阻尼阻抗式調壓室最高涌浪水位平均值只有247.16 cm，降低了7.88 cm。表1中每次實驗的最高涌浪水位數值減去調壓室初始水位就是調壓室最高涌浪水位的升高值。機組甩負荷后傳統阻抗式調壓室水位平均上升了21.04 cm，而新型阻尼阻抗式調壓室平均升高了13.16 cm。阻尼阻抗式調壓室最高涌浪水位相比于傳統阻抗式調壓室降低了約37.45%，可見阻尼阻抗式調壓室可以極大降低最高涌浪水位，在實際工程運用中，可以降低調壓室的建造高度，減小施工開挖量，節省工程投資。

圖4是兩種調壓室在丟棄相同負荷(模型測量的是機組流量)時的水位波動過程，可以看出，相較于傳統阻抗式調壓室，阻尼阻抗式調壓室的水位波動振幅小，衰減快，更容易穩定，并且最低涌浪水位較傳統調壓室更高，對水位波動有明顯的抑制作用，說明調壓室的水位波動性能更好。其原因是阻尼阻抗式調壓室可以利用阻尼球對阻抗孔口面積和阻尼雙向自動調節，若將此調壓室應用于水電站工程建設中，可以大量減少常規調壓室的開挖工程量，節省工程投資。

圖4 調壓室水位波動圖Fig.4 Water level fluctuation process after load rejection

在降低水錘壓力方面，采用傳統阻抗式調壓室的壓力管道水錘壓力平均值是139.49 kPa，而阻尼阻抗式調壓室平均值為161.18 kPa，水錘壓力升高了21.69 kPa。這是因為阻尼阻抗式調壓室阻抗孔口增加了阻尼作用，壓力管道的水錘壓力有所升高是合理的，按照模型比尺1∶50計算，原型水錘壓力大約增加了15 m左右。這個水錘壓力的增加與阻尼彈簧的彈性系數有關，采用剛度越小的彈簧，水錘壓力的增加會越小，實驗僅采用了一種彈性系數的彈簧，水錘壓力大約增加了15.55%左右。實測采用兩種調壓室的壓力鋼管水錘壓力變化過程如圖5所示。

圖5 管道水錘壓力Fig.5 Water hammer pressure in penstock

上述分析表明，新型阻尼阻抗式調壓室在降低調壓室水位波動幅值方面有優越性，在防止水錘壓力升高方面有不利的一面，如何尋求在降低涌浪水位波動振幅的同時又不至于過多的提高水錘壓力，這是下階段需要繼續研究的工作，并且這種新型阻尼阻抗式調壓室的水力計算方法和數學模型計算研究也是需要進一步研究的內容[11-14]，本文僅提供了該新型調壓室的水力實驗成果。

3 結 語

本文介紹了新型阻尼阻抗式調壓室的結構特點及工作原理，通過水力模型試驗，證明了其在抑制調壓室水位波動方面的優越性。得到如下研究結論：

(1)阻尼阻抗調壓室能夠有效減小水位波動振幅，降低最高涌浪水位，提高最低涌浪水位，調壓室水位波動衰減快，相比于傳統阻抗式調壓室有更好的水位波動水力性能。

(2)阻尼阻抗調壓室在有效減小水位波動振幅的同時可能會增加壓力管道的水錘壓力，實驗條件下水錘壓力增加不大，研究合適的阻尼彈簧和尋求最優的總體效果是這種新型阻尼阻抗式調壓室研究的關鍵。 本文對新型阻尼阻抗式調壓室的實驗研究為今后開發和研究新型調壓室提供了借鑒和參考。

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