水電站進(jìn)水口試驗(yàn)研究論文

1、水電站進(jìn)水口試驗(yàn)研究論文 摘要：三峽水利樞紐分設(shè)左右兩座廠房，單機(jī)容量700mw，正常蓄水位175.00m。在廠房進(jìn)水口研究上，長(zhǎng)科院和清華大學(xué)都進(jìn)行了各種水工模型試驗(yàn)，研究了邊壁壓強(qiáng)分布、水頭損失和進(jìn)口流態(tài)。雙孔方案在水頭損失、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性等方面較單孔有利。無(wú)論單或雙孔，經(jīng)優(yōu)化后，水頭損失都減少了約15cm，年發(fā)電量約增加1.5萬(wàn)kwh，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞：三峽水電站進(jìn)水口形式水工模型試驗(yàn)單孔方案雙孔方案 1概述 三峽水利樞紐分設(shè)左、右岸兩座廠房，共裝26臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組。其中左岸廠房14臺(tái)，右岸廠房12臺(tái)，并在右岸山體內(nèi)預(yù)留后期擴(kuò)機(jī)的6臺(tái)地下廠房位置。電站廠房為壩后式，每臺(tái)機(jī)組段

2、長(zhǎng)38.3m，單機(jī)容量為700mw，總裝機(jī)容量18200mw，年平均發(fā)電量846.8億kwh。 按初步設(shè)計(jì)：電站引水壓力鋼管為一機(jī)一管小喇叭單孔進(jìn)水口；為壩下游坡淺槽背管布置；內(nèi)徑為12.4m；設(shè)計(jì)單機(jī)引用流量為996.4m3/s，平均流速達(dá)8.0m/s。 三峽電站校核洪水位為180.40m，正常蓄水位(設(shè)計(jì)洪水位)為175.00m，防洪限制水位145.00m；初期正常蓄水位為156.00m，初期防洪限制水位為135.00m。 電站的主要參數(shù)見(jiàn)表1。 長(zhǎng)科院1994年前對(duì)水平l進(jìn)口、水平2進(jìn)口、小斜1小進(jìn)口、小斜2大進(jìn)口等四個(gè)方案進(jìn)行了比尺1：52.4的模型試驗(yàn)。試驗(yàn)研究了邊壁壓強(qiáng)分布、水頭損

3、失和進(jìn)口流態(tài)。 *圍堰發(fā)電時(shí)，最小水頭為56m。 廠房專(zhuān)家組第一、二、三次會(huì)議，對(duì)水電站布置及設(shè)計(jì)主要原則進(jìn)行了審議，建議通過(guò)水工模型試驗(yàn)，進(jìn)一步論證帶中墩的雙孔進(jìn)水口方案的可行性和合理性。當(dāng)時(shí)認(rèn)為雙孔進(jìn)水口具有如下優(yōu)點(diǎn)： 閘門(mén)孔口過(guò)水面積增加，平均流速減少，有可能減少水頭損失； 進(jìn)口前沿寬度擴(kuò)大，過(guò)欄污柵水流流速分布均勻，減小了阻塞的可能性； 減少閘門(mén)尺寸和啟閉機(jī)容量，使運(yùn)行方便可靠。 國(guó)外已建的特大型水電站，進(jìn)水口單、雙孔形式均有。考慮到三峽水電站的重要性和發(fā)電效益，應(yīng)進(jìn)行兩種方案的研究，選擇最佳方案，以保證各種工況下均能安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。為此，三峽總公司技委會(huì)分別委托長(zhǎng)科院和清華大

4、學(xué)進(jìn)行了單、雙孔進(jìn)水口兩種方案的大比尺模型試驗(yàn)的對(duì)比研究，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果逐步對(duì)各方案進(jìn)水口的體型進(jìn)行優(yōu)化。 雙孔方案各研究了三種體型，共6個(gè)模型，即單、單、單和雙、雙、雙。 2模型設(shè)計(jì) 2.1模型比尺選擇 由專(zhuān)家組確定模型的長(zhǎng)度比尺11:30，相應(yīng)即可求得其它正態(tài)模型的比尺。 2.2試驗(yàn)設(shè)備 為了便于單、雙孔比較，兩個(gè)方案并列布置，各優(yōu)化方案模型則由其前一模型改裝而成。 模型試驗(yàn)場(chǎng)地寬6m，長(zhǎng)16m，布置在室內(nèi)。試驗(yàn)室供水能力為300l/s模型需水量為196l/s模型模擬了一個(gè)機(jī)組段且進(jìn)水口前為對(duì)稱(chēng)進(jìn)水。水庫(kù)用水泥砂槳抹面的磚砌水槽模擬，槽長(zhǎng)4m，寬1.5m，深3.7m。進(jìn)入水槽的水流經(jīng)過(guò)兩道

5、水柵。水槽首部均有單獨(dú)的供、排、穩(wěn)水系統(tǒng)，以保證進(jìn)水口前的行進(jìn)水流平穩(wěn)對(duì)稱(chēng)。 模型自攔污柵墩首至蝸殼進(jìn)口均用有機(jī)玻璃制作。為了便于進(jìn)行流態(tài)觀察，將整個(gè)進(jìn)水口做在水槽外，即進(jìn)口前至攔污柵的兩側(cè)壁也用有機(jī)玻璃制作。有機(jī)玻璃的糙率nm0.0070.008，可滿(mǎn)足相似要求。 攔污柵用厚0.5mm的鐵皮制作，模型尾部模擬到機(jī)組的蝸殼進(jìn)口。在模型中，外加長(zhǎng)1.31m的直段，并通過(guò)長(zhǎng)0.3m的錐管與30.5cm的鑄鐵閥門(mén)相接，用以控制流量。 2.3庫(kù)水位及壓強(qiáng)的量測(cè) 上游水庫(kù)的水位及進(jìn)水口、壓力管道的壓強(qiáng)均用測(cè)壓管量測(cè)。 在水槽距進(jìn)水口3.2m處引出8mm的銅管，然后用8mm的軟膠管引到測(cè)壓板的讀數(shù)玻璃管上

6、，用于量測(cè)庫(kù)水位。 進(jìn)水口及管道壓強(qiáng)的量測(cè)，采用在有機(jī)玻璃壁上打穿6mm小孔，用6mm膠管連接到測(cè)壓板的讀數(shù)玻璃管上。 2.4流量測(cè)量 流量用量水堰量測(cè)。水流從模型尾端的閥門(mén)流出后，經(jīng)過(guò)兩道穩(wěn)水柵穩(wěn)水，距出流處4m設(shè)銳緣矩形薄壁堰，堰寬0.8m。用雷伯克公式計(jì)算流量。 3單孔試驗(yàn)結(jié)果 3.1單孔模型的區(qū)別與聯(lián)系 單孔的三個(gè)模型，是逐步改進(jìn)的，其中單是三峽水電站進(jìn)水口的原初步設(shè)計(jì)方案，因試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)吸氣旋渦，故又進(jìn)行了改進(jìn)，變成單方案。單方案流態(tài)仍不理想，于是又進(jìn)行了優(yōu)化，得到單方案。 和單相比，單主要進(jìn)行了如下改進(jìn)： 使進(jìn)口上下對(duì)稱(chēng)。進(jìn)口下緣曲線(xiàn)胸墻斷面以前由圓弧改為臺(tái)階式。以改善進(jìn)口前的流態(tài)。

7、 增大了淹沒(méi)深度，以減少旋渦發(fā)生。 進(jìn)口上、下側(cè)曲線(xiàn)均改為雙圓弧，這樣接近于橢圓曲線(xiàn)。同時(shí)進(jìn)口開(kāi)闊，閘門(mén)孔口前斷面積增大，以減小水頭損失。 進(jìn)口、漸變段及其后直管的傾角改為水平，促使進(jìn)口真正做到上下對(duì)稱(chēng)。 增加起破漩作用的人字撐，以改進(jìn)進(jìn)水口前的流態(tài)。 閘門(mén)槽寬度則由2.40m減為2.00m，以減小對(duì)水流的干擾，改善流態(tài)，減少水頭損失。 3.2三個(gè)模型試驗(yàn)結(jié)果綜合分析 三個(gè)模型均進(jìn)行了進(jìn)水口前流態(tài)、水頭損失和邊壁壓強(qiáng)分布的測(cè)試。 壓強(qiáng)分布由測(cè)壓管測(cè)得，水頭損失系根據(jù)庫(kù)水位和斷面測(cè)壓管讀數(shù)由恒定流量方程求得，試驗(yàn)中的水頭損失計(jì)算斷面如附圖所示。 斷面1-1位于距進(jìn)水口3.20m的上游水槽中，2-

8、2斷面取在0十118.00樁號(hào)斷面(蝸殼進(jìn)口斷面)。試驗(yàn)中可以認(rèn)為水體是不可壓縮的，兩斷面間的水體與外界無(wú)物質(zhì)與能量交換，水體作恒定流動(dòng)，兩斷面均為漸變流斷面。 為方便起見(jiàn)，本文只分析了模型無(wú)攔污柵情況。在分析水頭損失和壓強(qiáng)分布時(shí)，只分析上游水位為145.00m，流量為966.4m3/s的情況；壓強(qiáng)只分析135.00m水位情況。 3.2.1流態(tài) 流態(tài)對(duì)漩渦的分類(lèi)方面。單i模型在上游水位135.00m時(shí)有s型游渦，v1型游渦和v2型漩渦，無(wú)v3型漩渦。 在進(jìn)水口前的水位為135.00m時(shí)，單進(jìn)水口前的流態(tài)與單i相似，s型、vl型、v2型漩渦都存在，無(wú)v3型漩渦；v2型漩渦較單i中的強(qiáng)度小，帶氣量

9、少，但頻率高。這說(shuō)明，單所采用的降低進(jìn)水口高程、減小壓力管斜角、加破漩渦人字撐等措施達(dá)到了改善進(jìn)水口前流態(tài)的效果，但仍需優(yōu)化。 單，僅有s型漩渦，無(wú)v型漩渦，流態(tài)較單、單好。這說(shuō)明，單所采用的對(duì)稱(chēng)進(jìn)水口、改變?nèi)俗謸魏透叱痰却胧┚哂懈纳七M(jìn)水口前流態(tài)的效果；特別是具有破漩作用的人字撐，由于其高程的改變，破漩效果明顯。 3.2.2水頭損失 三個(gè)模型試驗(yàn)的水頭損失系數(shù)見(jiàn)表2。 三個(gè)模型在進(jìn)行逐步的體型改進(jìn)后，取得了明顯效果，水頭損失逐步減?。?jiǎn)屋^單水頭損失減小了約5cm，單較單又減小了約10cm。分析三個(gè)模型的改進(jìn)之處：由單水頭損失小于單可知，由大小圓弧構(gòu)成的組合進(jìn)口邊壁較中圓弧水流條件更好；由單水頭

10、損失小于單可知，對(duì)稱(chēng)進(jìn)水口進(jìn)流勻稱(chēng)，和非對(duì)稱(chēng)進(jìn)水口相比較，前者水流受干擾少，減小了引水系統(tǒng)水流的摻混作用，能大大減少水頭損失。 3.2.3進(jìn)水口壁面壓強(qiáng)分布 單的振蕩較大，單次之，單最好。這說(shuō)明圓弧對(duì)水流影響較大，而雙圓弧水流條件更優(yōu)。只有近似橢圓的雙圓弧曲線(xiàn)才較順應(yīng)水流，單的上緣曲線(xiàn)接近于l/4橢圓形，說(shuō)明橢圓曲線(xiàn)是進(jìn)水口邊壁較理想的的曲線(xiàn)形式。 同上面三個(gè)模型的試驗(yàn)結(jié)果可知，在流態(tài)、水頭損失、壓強(qiáng)分布上，總的來(lái)講，單優(yōu)于單，單優(yōu)于單及單。綜上所述，對(duì)單孔方案有如下結(jié)論： 增加進(jìn)水口的淹沒(méi)度可以改善進(jìn)水口前的流態(tài)，減小漩渦的發(fā)生。 前緣小半徑圓弧后接大半徑圓弧的近似橢圓曲線(xiàn)的雙圓弧曲線(xiàn)更近于

11、流線(xiàn)形狀。因而對(duì)水流干擾小，進(jìn)水口邊壁壓強(qiáng)分布均勻，水頭損失小。 上下、左右對(duì)稱(chēng)的進(jìn)水口，進(jìn)水口前的流態(tài)較好。 進(jìn)水口前加人字撐，可起到破除漩渦的作用。 4雙孔試驗(yàn)結(jié)果 4.1三個(gè)雙孔模型的區(qū)別與聯(lián)系 雙是在雙基礎(chǔ)上改進(jìn)的，雙則是在雙基礎(chǔ)上優(yōu)化的，目的是在進(jìn)一步減小水頭損失的同時(shí)，改進(jìn)進(jìn)水口前的流態(tài)。故此，三個(gè)模型的主要變化都在進(jìn)水口前后，壓力管道部分基本相同。 雙對(duì)雙的改進(jìn)如下： 攔污柵墩底部由圓弧曲線(xiàn)改為平直線(xiàn)，直線(xiàn)后接一段斜直線(xiàn)，再接半徑10.00m的圓弧曲線(xiàn)，使進(jìn)水口工作門(mén)的前面更開(kāi)闊，斷面面積更大，更趨于上下對(duì)稱(chēng)的情況。 進(jìn)水口淹沒(méi)深度增加，可減少進(jìn)水口前漩渦的發(fā)生。 側(cè)曲線(xiàn)和中墩幾

12、乎未作改變。進(jìn)水口上緣曲線(xiàn)改為圓弧曲線(xiàn)，曲線(xiàn)末端也由第一道門(mén)槽加長(zhǎng)到第二道門(mén)槽。后者更接近于流線(xiàn)形，且使進(jìn)口開(kāi)闊。 4.2三個(gè)模型的試驗(yàn)結(jié)果 4.2.1流態(tài) 雙i進(jìn)口前水位135.00m時(shí)，水面平穩(wěn)，有弱s型漩渦(只是表面漩渦，無(wú)下凹現(xiàn)象)未見(jiàn)v型漩渦。 雙水位135.00m時(shí)，進(jìn)口前亦發(fā)現(xiàn)有s型漩渦，但強(qiáng)度較雙l稍大，除了表面旋轉(zhuǎn)外，有下凹現(xiàn)象；未見(jiàn)v型漩渦。 雙水位135.00m時(shí)，進(jìn)水口前水面平穩(wěn)，有s型漩渦，但強(qiáng)度較雙弱；與雙i相似，無(wú)v型漩渦。 4.2.2水頭損失 三個(gè)模型的水頭損失系數(shù)見(jiàn)表3。 雙孔方案的改進(jìn)取得了較大的成功，其中很多改進(jìn)是參考其他工程及文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上提出的，如采用橢

13、圓曲線(xiàn)作進(jìn)水口邊壁，中墩的改進(jìn)等。由表3可以看出，雙較雙水頭損失減小了11cm，雙較雙減少了12cm。 4.2.3壓強(qiáng)分布 三個(gè)模型的壓強(qiáng)分布，除雙局部壓強(qiáng)的驟變外，三條壓強(qiáng)分布曲線(xiàn)都很光滑，幾乎不存在壓強(qiáng)的振蕩，這說(shuō)明三種方案進(jìn)水口曲線(xiàn)雖然不同，但對(duì)水流的影響效果相差不大；和單孔比較，雙孔方案的壓強(qiáng)分布較單孔方案好，其原因主要是雙孔方案的進(jìn)水口流速較低，沿程壓強(qiáng)振蕩較小。 上述試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合雙孔三個(gè)模型的改進(jìn)，有如下結(jié)論： 淹沒(méi)深度增大時(shí)，進(jìn)水口上下對(duì)稱(chēng)有利于改善進(jìn)水口前的流態(tài)。 攔污柵墩與進(jìn)水口距離增大，進(jìn)口前流態(tài)變差，說(shuō)明攔污柵具有一定的破漩作用。 小半徑圓弧與大半徑圓弧相連的近似1/4

14、橢圓曲線(xiàn)的組合曲線(xiàn)及l(fā)/4橢圓曲線(xiàn)比單圓弧曲線(xiàn)更接近于流線(xiàn)，因而其壁面上壓強(qiáng)分布均勻，水頭損失小。 5單、雙孔方案的比較 這里在流態(tài)和水頭損失方面將單、雙孔方案作一比較。流態(tài)只分析135.00m水位，水頭損失只分析145.00m水位時(shí)的情況，原型流量均為966.40m3/s。 5.1流態(tài)比較 單i上游水位為135.00m時(shí)，進(jìn)水口水面即有s型漩渦，又有v型漩渦，漩渦帶氣進(jìn)入壓力管道，氣帶直徑模型達(dá)34cm持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10s；s型漩渦則持續(xù)存在，水面上下波動(dòng)較大。 單s型、v型漩渦并存，挾氣漩渦直徑模型lcm左右，統(tǒng)計(jì)平均每10min約有1415個(gè)。 單有s型波渦，未發(fā)現(xiàn)v型漩渦，漩渦旋轉(zhuǎn)較快，

15、有時(shí)漩渦中心凹陷。 雙i進(jìn)口水面平穩(wěn)，偶有弱s型漩渦出現(xiàn)，未見(jiàn)有v型漩渦。 雙發(fā)現(xiàn)有s型漩渦，強(qiáng)度較弱，多為表面旋轉(zhuǎn)，偶有中心凹陷的漩渦出現(xiàn)。 雙水面平穩(wěn)，幾乎無(wú)s型漩渦出現(xiàn)。 5.2水頭損失比較在經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，無(wú)論是單孔還是雙孔，水頭損失都有較大幅度的減少，其中單和單比較，水頭損失減少了0.160m，雙與雙比較，水頭損失減少了0.244m，雙孔減小幅度較大。另外，就單、雙孔的最終方案(單、雙)而言，雙孔方案的水頭損失較單孔方案小0.061m。 綜上所述，由于雙孔方案進(jìn)口面積大，流速低、進(jìn)口寬，因而雙孔方案在流態(tài)方面大大優(yōu)于單孔方案。在水頭損失方面，雙孔方案雖有中墩的存在，水頭損失仍較單孔方案為小。 由此可以看出，無(wú)論在流態(tài)還是水頭方面，雙孔方案均優(yōu)于單孔。因此從水力學(xué)角度選擇時(shí)，雙孔方案在水頭損失、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性以及電站安全等方面較單孔有利。 6結(jié)語(yǔ) (1)在水面下漩渦易發(fā)生部位適當(dāng)高程位置設(shè)置水平橫梁，可具有破除漩渦的作用。其破漩作用與其對(duì)于水面的高程有關(guān)，高程適合時(shí)，破漩作用明顯；否則只減小漩渦發(fā)生的強(qiáng)度，但卻增加了漩渦