水電站建筑物復(fù)習(xí)提綱課件

1、水電站建筑物第一章 概 論水電站的類型：按集中河段落差方式的不同，可分為壩式水電站、引水道式水電站和混合式水電站。抽水蓄能、潮汐式電站也是重要形式。壩式水電站：壩式水電站是攔河筑壩，壩前壅水，在壩址處形成落差所建的水電站。引水道式水電站：引水道式水電站是在河段上游筑閘或低壩（或無壩）取水，經(jīng)人工引水道引水到河段下游來集中落差所建的水電站?；旌鲜剿娬?在同一河段上用壩集中上游部分落差，再通過有壓引水道集中壩下游部分落差而形成總水頭所建的水電站。適用條件：壩上游部分有良好筑壩庫條件，下游部分坡降大時(shí)。擋水建筑物：壩、閘、堰、堤泄水泄沙建筑物：溢洪道、泄水洞、泄水泄沙孔過壩建筑物：過船、木、魚等引

2、水建筑物：進(jìn)水口、沉沙池、引水道、前池或調(diào)壓室、壓 力管道、尾水道發(fā)電廠及其附屬建筑物：廠房、變電站、開關(guān)站 樞紐建筑物 水電站建筑物發(fā)電建筑物 水利發(fā)電優(yōu)點(diǎn)： 1）水電是再生性能源；2）水力發(fā)電具有綜合效益；3）水能可以進(jìn)行調(diào)節(jié)；4）水力發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)可逆；5）水力發(fā)電具有運(yùn)行上的高度機(jī)動(dòng)性；6）發(fā)電成本低，造價(jià)不高；7）能源利用率高；8）有利于改善生態(tài)環(huán)境。第二章 進(jìn)水口及引水道建筑物進(jìn)水口的分類（按水流條件分，即供水入無壓水道/壓力水道）：無壓進(jìn)水口：表面式進(jìn)水口（又稱進(jìn)水閘）常設(shè)于凹岸（防止漂浮物、泥沙進(jìn)入）底部攔污柵式；有壓進(jìn)水口：壩式進(jìn)水口、岸式進(jìn)水口（豎井式和岸墻式）、塔式進(jìn)水口。

3、進(jìn)水口的要求：1）要有必要的進(jìn)水能力：進(jìn)水口底坎足夠低，過水?dāng)嗝孀銐虼?，有一定淹沒深度；2）水質(zhì)符合發(fā)電要求：防止污物、冰塊、有害泥沙進(jìn)入造成淤積和建筑物設(shè)備受損；3）水頭損失要?。盒螤顟?yīng)平滑漸變，流態(tài)平順，無突變渦流，流速盡量小，防止堵塞；4）流量可按要求控制：設(shè)工作、檢修閘門；5）施工、安裝、運(yùn)行和檢修方便：選擇合理的布置和結(jié)構(gòu)形式；排沙方式可以是連續(xù)或定期的，方法有：水力沖沙、水力機(jī)械沖沙、機(jī)械排沙。引水道的功用：集中落差，形成水頭，并將水流輸送到壓力管道引入機(jī)組，然后將發(fā)電后的水流排到下游。有無壓（無壓隧洞、渠道）和有壓引水道（有壓隧洞、明管、明鋼管）。引水道要求：1）有符合要求的輸水

4、能力：有足夠的過水面積和流速，防止引水道中泥沙沉積，防止表面被沖蝕或長草增加n從而減小流速，防止巖石坍塌堵塞；2） 減少水頭損失：減小彎道和斷面變化，減小表面粗糙度；3） 保證水質(zhì)：進(jìn)水口采取防范措施，防止泥沙、冰凌、污物等進(jìn)入；4） 盡量較少引水道向外漏水；5） 運(yùn)行安全可靠，應(yīng)能放空和維護(hù)檢修，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理，便于施工運(yùn)行。涌波：丟棄負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)的引用流量突然減小，渠道水位由下游向上游逐漸升高，這種水位的升高現(xiàn)象是由渠道末端向渠道首端逐漸傳遞的。消落波：電站增加負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)引用流量突然增加，但渠道來流量還來不及增加，渠道末的水量被引走，水位逐漸降低，這種水位降低現(xiàn)象也是由渠末向渠首逐漸傳

5、遞的壓力前池功用：電站正常運(yùn)行時(shí)，把流量按要求分配給壓力管道，并使水頭損失最小；水電站出力變化、事故時(shí)，與引水渠配合，調(diào)節(jié)流量；電站停止運(yùn)行、壓力管道關(guān)閉時(shí)，供給下游必需的流量；在壓力管道事故時(shí)，緊急切斷水流；防止引水道中雜物、冰凌與有害物泥沙進(jìn)入壓力管道。壓力前池組成：擴(kuò)散段、前室、進(jìn)水室（壓力管道的進(jìn)水口及設(shè)備）、泄水和排沙建筑物。布置：充分利用地形；前池應(yīng)盡可能接近廠房，以縮短昂貴而且對(duì)安全要求高的壓力管道；前池常需布置在靠近河岸的陡坡上，這樣就使其工程量增加，對(duì)山坡及地基的穩(wěn)定不利，滲漏可能會(huì)使山坡坍滑。第三章 壓力管道總論及明鋼管壓力鋼管設(shè)計(jì)步驟1) 分析擬定鋼管的總體布置：鋼管的根

6、數(shù)、直徑、管道線、敷設(shè)方式、布置鎮(zhèn)墩、支墩、岔管等；2) 進(jìn)行鋼管的水力計(jì)算：水頭損失、水錘分析等；3) 選擇鋼管的材料、結(jié)構(gòu)形式、初定管壁厚度；4) 分析確定荷載組合，進(jìn)行較為精確的計(jì)算；5) 進(jìn)行具體設(shè)備的細(xì)部布置設(shè)計(jì)；6) 繪制詳圖；7) 制定鋼管的制作安裝、試驗(yàn)和維修技術(shù)要求。壓力鋼管定義：從水庫或引水道末端的前池或調(diào)壓室，將水在有壓狀態(tài)下引入水輪機(jī)輸水管。特點(diǎn)：坡度陡；承受電站的最大水頭，且受水錘動(dòng)水壓力；靠近廠房。壓力管道的主要荷載是內(nèi)水壓力，管道內(nèi)徑D（m）、水壓H（m）及乘積HD值是標(biāo)志壓力管道規(guī)模及其技術(shù)難度的重要特征值。分類：根據(jù)布置形式，分為1）明管（暴露在空氣中）；2）

7、地下埋管（埋藏于地層巖石之中的鋼管，可以是斜的、垂直的隧洞式壓力管道）；3）混凝土壩身管道（依附于壩身，有壩內(nèi)埋管、壩上游面埋管、壩下游面埋管）。直徑選擇時(shí)經(jīng)濟(jì)流速：46m/s壓力管道供水方式：單元供水；聯(lián)合供水；分組供水；水力計(jì)算：水頭損失計(jì)算和水錘計(jì)算。用以決定水電站的工作水頭和作用在水輪機(jī)部件上水壓力，也用于確定管線，正常工作情況下最高壓力線：計(jì)算管厚；特殊工況下的最高壓力線，校核材料強(qiáng)度；最低壓力線：確定會(huì)不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓壓力鋼管的材料考慮鋼材的工藝性能：切割、冷彎、焊接等。還有力學(xué)性能，強(qiáng)度校核：我國采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行校核： 壓力鋼管的設(shè)施和構(gòu)造： 布置管線時(shí)，應(yīng)使鋼管頂部至少在最低壓

8、力線下2m，以防管內(nèi)發(fā)生真空。 管道應(yīng)有進(jìn)入孔和必要的檢查維修設(shè)施，進(jìn)人孔間距一般不宜大于200m。 最低點(diǎn)設(shè)置排水設(shè)施，用于完全排空管道內(nèi)積水和閘閥漏水； 管道轉(zhuǎn)變半徑一般宜小于3D。 鋼管最小壁厚不應(yīng)小于或6mm。 考慮銹蝕、磨損及鋼板厚度誤差，管壁厚度至少比計(jì)算值增加2mm。 明管和岔管宜作水壓實(shí)驗(yàn)，壓力值應(yīng)不小于1.25倍正常工作情況下的最高水壓力。6、明管線路選擇，考慮： 管道線路應(yīng)盡可能短而直，以降低造價(jià)，減小水頭損失，降低水錘壓力和改善機(jī)組運(yùn)行條件。 選擇良好的地質(zhì)條件，使鋼管支承在堅(jiān)固的地基上。 盡量減少管道線路的起伏波折。明鋼管引進(jìn)廠房的三種方式：正向、縱向、斜向引進(jìn)。鋼管底

9、與地面的凈距不得小于0.6m。一般采用分段式敷設(shè)。鋼管軸線拐彎處設(shè)鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩間管段用支墩支撐，兩鎮(zhèn)墩間設(shè)有伸縮節(jié)，有單向滑動(dòng)套筒式和雙向滑動(dòng)套筒式。兩鎮(zhèn)墩之間，支墩宜等間距布置，設(shè)有伸縮節(jié)的一跨間距宜縮短以減少彎矩。伸縮節(jié)的作用：當(dāng)溫度變化時(shí)，管身可在軸向伸縮，從而消除或減少溫度應(yīng)力；能適應(yīng)少量的不均勻沉陷或變形，同時(shí)為閥門拆裝提供方便。鎮(zhèn)墩：分為封閉式、開敞式兩種，管道的外包砼厚度不小于管徑的0.40.8倍；為維護(hù)、檢修方便，管道底距地面不宜小于0.6m。支墩：小型鋼管，間距12m-15m左右；大型鋼管，間距3m-6m左右。分為滑動(dòng)式、滾動(dòng)式、搖擺式。鋼管應(yīng)力分析計(jì)算時(shí)選擇四個(gè)基本部位：跨中

10、斷面、支承環(huán)旁管壁膜應(yīng)力區(qū)邊緣、加勁環(huán)及其旁管壁、支承環(huán)及其旁管壁。支承環(huán)的支承方式：側(cè)支承、下支承。應(yīng)力不滿足強(qiáng)度校核時(shí)可重新調(diào)整管壁厚度或支墩間距，直到滿足強(qiáng)度要求為止。明鋼管外壓失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)現(xiàn)象：機(jī)組運(yùn)行過程中由于負(fù)荷變化產(chǎn)生負(fù)水錘，而使管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓；管道放空時(shí)通氣孔失靈，而在管道內(nèi)產(chǎn)生真空；管道在外部的大氣壓力作用下，可能喪失穩(wěn)定，管壁被壓扁；必須根據(jù)鋼管處于真空狀態(tài)時(shí)不產(chǎn)生不穩(wěn)定變形的條件來校核管壁厚度。當(dāng)管徑和管壁厚度一定時(shí)，加勁環(huán)的間距越小，管壁在外壓下屈曲的波數(shù)便愈多，臨界壓力值便愈大；設(shè)置加勁環(huán)的明鋼管在外力作用下，需滿足兩個(gè)要求：a、加勁環(huán)不能失穩(wěn)屈曲；b、加勁環(huán)不失

11、穩(wěn)時(shí)，其橫截面的壓應(yīng)力小于材料允許值。圓環(huán)臨界壓力：；對(duì)長圓筒的薄鋼管要考慮平面應(yīng)變問題，則上式E以E/(1-U2)代替，即得光滑管亦即無剛性環(huán)的明鋼管不失穩(wěn)的最小管壁厚度為：D/130。不滿足上式時(shí)，可設(shè)置加勁環(huán)來增加管壁的剛度，通常，這比加厚管壁要經(jīng)濟(jì)。加勁環(huán)的彈性穩(wěn)定臨界壓力：。明鋼管設(shè)計(jì)步驟1) 初估管壁厚度（鍋爐公式）；2) 荷載分析和組合；3) 選取計(jì)算斷面（至少四個(gè)）；4) 進(jìn)行每個(gè)斷面的應(yīng)力計(jì)算；5) 應(yīng)力復(fù)核，強(qiáng)度校核（第四強(qiáng)度理論）；6) 抗外壓穩(wěn)定，校核光滑管、加勁環(huán)（環(huán)間距、自身強(qiáng)度要求等）、明鋼管抗外壓失穩(wěn)的設(shè)計(jì)步驟1) 根據(jù)已定的光滑管管壁厚度計(jì)算其臨界壓力；2)

12、如不滿足，可設(shè)置加勁環(huán)，此時(shí)根據(jù)鋼管應(yīng)有的臨界壓力值，由式3-38（下式）選定加勁環(huán)間距，然后根據(jù)加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定和橫截面壓應(yīng)力小于允許值這兩個(gè)條件，計(jì)算出加勁環(huán)的尺寸。第四章 地下埋管地下埋管的施工程序：開挖、鋼襯安裝、混凝土回填、灌漿。地下埋管的灌漿：回填灌漿、接縫灌漿、固結(jié)灌漿。地下埋管是埋藏于地層巖石中的鋼管，可以是斜的、垂直的，故也稱作斜井、豎井，或稱為隧洞式壓力管道。優(yōu)點(diǎn)：1、布置靈活方便，不受地面地形地質(zhì)限制；2、利用圍巖承載，減少鋼襯壁厚，可解決HD值很大的技術(shù)難關(guān)；3、運(yùn)行安全，超載能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：1、構(gòu)造較復(fù)雜，施工安裝程序多，工藝要求較高而地下施工條件又較差。這些因素使得造

13、價(jià)增加，工程質(zhì)量不易保證，且影響工期。2、在地下水壓力較大的地方，鋼襯可能承受甚大外壓，造成失穩(wěn)構(gòu)造施工要求：1) 盡量采用光面、預(yù)裂爆破或掘進(jìn)機(jī)開挖，保持圓形孔口，減少松動(dòng)爆破影響。2) 鋼襯與圍巖之間回填的砼僅起傳遞徑向內(nèi)壓力而不承受環(huán)向拉力，因此砼標(biāo)號(hào)不必太高，但也不宜小于150號(hào)。3) 斜管及平管的底部，止水環(huán)和加勁環(huán)附近尤須加強(qiáng)震搗，不允許出現(xiàn)疏松區(qū)和空洞。4) 在地下水豐富區(qū)的地層施工時(shí)，要特別注意地下水沖走水泥漿而影響砼密實(shí)。地下埋管承受內(nèi)壓基本原理：埋管承受內(nèi)壓后，鋼襯發(fā)生徑向位移，鋼襯和混凝土襯圈間的縫隙消失后，繼續(xù)向混凝土襯圈傳遞內(nèi)壓，混凝土內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力產(chǎn)生徑向裂縫；內(nèi)

14、壓通過混凝土楔塊繼續(xù)向圍巖傳遞，圍巖產(chǎn)生向外的徑向位移并形成圍巖抗力，使埋管在內(nèi)壓下得到平衡。（鋼襯混凝土襯圈圍巖，盡可能利用圍巖抗力）影響鋼襯應(yīng)力因素：圍巖的單位抗力系數(shù)K0 ； 縫隙值：施工縫隙、鋼襯冷縮縫隙、圍巖冷縮縫隙。鋼襯的外壓荷載：地下水壓力；鋼襯與砼之間接縫灌漿壓力，一般為0.2MPa(2kgf/cm2)；回填砼時(shí)流態(tài)砼的壓力。失穩(wěn)兩種假設(shè)：阿氏公式（一個(gè)屈曲波）和幾個(gè)初始波，前者偏大，后者偏小。防止埋管鋼襯受外壓失穩(wěn)的措施：降低地下水壓力，精心施工和做好鋼襯與混凝土接縫灌漿減小裂縫。地下埋管和明管抗外壓失穩(wěn)的外荷載區(qū)別：地下埋管的外壓荷載主要為地下水壓力，施工期還有鋼襯與混凝土

15、之間接縫灌漿壓力和回填混凝土?xí)r流態(tài)混凝土的壓力，而明管的外壓為大氣壓力（0.1MPa）。地下埋管的改進(jìn)措施：采用高強(qiáng)度鋼材、采用雙層鋼管作為鋼襯、采用箍管、采用柔性鋼襯、采用預(yù)應(yīng)力混凝土鋼襯、完全取消襯砌、不考慮圍巖的影響，按明鋼管計(jì)算，但提高鋼材的允許應(yīng)力。第五章 混凝土壩體壓力管道混凝土壩體壓力管道是依附于混凝土壩身，即埋設(shè)在壩體內(nèi)或固定在壩面上，并與壩體成為一體的壓力輸水管道。壩內(nèi)埋管的三種典型布置型式：傾斜式布置、平式和平斜式布置（對(duì)拱壩，壩體厚度不大，管徑較大時(shí)，可采用這種布置）、豎直式布置。壩內(nèi)埋管的布置原則：盡量縮短管道的長度；減少管道空腔對(duì)壩體應(yīng)力的不利影響，特別減小因管道引起

16、的壩體內(nèi)拉應(yīng)力區(qū)的范圍和拉應(yīng)力值；還應(yīng)減小管道對(duì)壩體施工的干擾并有利于管道本身的安裝、施工。壩內(nèi)埋管荷載有：內(nèi)水壓、壩體荷載、溫差荷載、壩體滲流、施工荷載。壩內(nèi)埋管運(yùn)行期的主要荷載有：內(nèi)水壓、壩體荷載、溫差荷載為了減少壩體承擔(dān)的內(nèi)水壓力，可以在鋼管外設(shè)置軟墊層，將鋼管與壩體隔開。軟墊層可以吸收鋼管在內(nèi)壓作用下的徑向變位，而使內(nèi)壓只有一部分或很小部分傳至壩體。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是：決定鋼襯材料和厚度，管外壩體混凝土等級(jí)和配筋，鋼襯抗外壓設(shè)施。第六章 分叉管采用聯(lián)合供水或分組供水時(shí)，即一根管道需要供應(yīng)兩臺(tái)或更多機(jī)組用水時(shí)，需要設(shè)置分岔管，其位于廠房上游側(cè)。岔管應(yīng)滿足下列要求：1）水流平順，水頭損失小，

17、避免渦流和振流；分岔管宜采用錐 管過渡，半錐角一般是510；宜采用較小的分岔角，常用范圍是4560；2）結(jié)構(gòu)簡單合理，受力條件好，不產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中和變形；3） 制作、運(yùn)輸、安裝方便。對(duì)于低水頭電站，應(yīng)更多考慮減小水頭損失；對(duì)于高水頭電站，有時(shí)為了使結(jié)構(gòu)合理簡單，可以容許水頭損失稍大一些，更應(yīng)該考慮安全。分岔管的布置形式：卜形布置、對(duì)稱Y形布置、三岔開布置。明鋼岔管：三梁岔管123、內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管12、貼邊岔管1、無梁岔管123、球形岔管23、隔壁岔管（擴(kuò)散段、隔壁段、變形段）。地下式埋藏岔管：埋藏式鋼岔管、埋藏式鋼筋混凝土管、鋼襯鋼筋混凝土岔管。三梁岔管管壁實(shí)測(cè)最大應(yīng)力可達(dá)到理論膜應(yīng)力的

18、1.52倍，因此，岔管處主、支管的管壁應(yīng)適當(dāng)?shù)乇戎惫芏渭雍?。月牙肋岔管是三梁岔管的一種發(fā)展，它是用一個(gè)嵌入管內(nèi)的月牙肋板來代替三梁岔管的U型梁，取消腰梁，由主管擴(kuò)大段和只管收縮段組成。第七章 有壓引水系統(tǒng)非恒定流的物理現(xiàn)象及基本方程水輪機(jī)調(diào)節(jié)在產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：引起機(jī)組轉(zhuǎn)速的較大變化、在有壓管道中出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。水錘定義：當(dāng)管道末端流量急劇變化時(shí)，產(chǎn)生附加水頭的現(xiàn)象。調(diào)節(jié)保證計(jì)算的內(nèi)容: 1）丟棄負(fù)荷時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速的最大升高值；壓力管道及蝸殼內(nèi)的最大水錘壓強(qiáng)值；尾水管真空度的校核，同時(shí)應(yīng)注意開度變化終了后的反水錘是否超過增加負(fù)荷時(shí)的水錘值。 2）增加負(fù)荷時(shí)：轉(zhuǎn)速降低的最大值，只對(duì)單獨(dú)運(yùn)行的電站，加入系

19、統(tǒng)的電站，轉(zhuǎn)速受到頻率的影響，降低很大；壓力管道及蝸殼內(nèi)最大壓力降低值。調(diào)節(jié)保證計(jì)算的目的：通過調(diào)節(jié)保證計(jì)算和分析，正確合理地解決導(dǎo)葉啟閉時(shí)間、水錘壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值三者之間的關(guān)系，最后選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)葉啟閉時(shí)間和方式，使水錘壓力和轉(zhuǎn)速上升值均在經(jīng)濟(jì)合理的允許范圍內(nèi)。水錘計(jì)算的目的：決定管道內(nèi)的最大內(nèi)水壓力，作為設(shè)計(jì)或校核壓力管道、蝸殼和水輪機(jī)強(qiáng)度的依據(jù)；決定管道內(nèi)最小內(nèi)水壓力，作為管線布置，防止壓力管道中產(chǎn)生負(fù)壓和校核尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)；研究水錘與機(jī)組運(yùn)行的關(guān)系，如對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的影響等。水錘壓力的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)： 1）壓力升高：水錘壓力的最大升高值通常以相對(duì)值表示，當(dāng)100m時(shí)， =0. 150

20、. 30；當(dāng)=40100m時(shí)， =0. 300. 50；當(dāng)40m時(shí)， =0.500.70。2）壓力降低：在壓力引水系統(tǒng)的任何位置均不允許產(chǎn)生負(fù)壓且應(yīng)有23m水住高的余壓以保證管道尤其是鋼管的穩(wěn)定和防止水柱分離尾水管進(jìn)口的允許最大真空度為8m水柱高。轉(zhuǎn)速變化的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：限制機(jī)組轉(zhuǎn)速過大的變化主要是為了保證機(jī)組正常運(yùn)行和供電的質(zhì)量在丟棄全負(fù)荷的情況下，主要是防止機(jī)組強(qiáng)度破壞、振動(dòng)和由于過速引起過電壓而造成發(fā)電機(jī)電氣絕緣的損壞。當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎剌^大，且擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí)宜小于45 當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎夭淮蠡驌?dān)負(fù)基荷時(shí)，宜小于55， 對(duì)斗葉式水輪機(jī)，宜小于30。 當(dāng)大于上述值時(shí)

21、，應(yīng)有所論證。調(diào)保計(jì)算條件：水輪機(jī)的調(diào)節(jié)保證一般可按以下兩種工況計(jì)算，并取其中較大值作為保證值在設(shè)計(jì)水頭下丟棄全負(fù)荷；在最大水頭下丟棄全負(fù)荷；通常，工況(1)發(fā)生最大轉(zhuǎn)速升高，在工況(2)發(fā)生最大壓力（靜水壓力加水錘壓力）。水錘特性：(1)水錘壓力實(shí)際上是由于水流速度變化而產(chǎn)生的慣性力。(2）由于管壁具有彈性和水體有壓縮性，故水錘壓力將以彈性波的形式沿管道傳播。(3）水錘波同其它彈性波一樣，在波的傳播過程中，在外部條件發(fā)生變化處（即邊界處）均要發(fā)生波的反射。其反射特性（指反射波的數(shù)值及方向）決定于邊界處的物理特性。水錘波的傳播速度隨溫度和壓力的升高而增大，當(dāng)水中含有氣體時(shí)，波速將急劇下降。在缺

22、乏資料的情況下，露天鋼管近似取1000m/s，埋藏式鋼管取1200m/s。調(diào)壓室：是一個(gè)具有自由水面的井式或者筒式平水建筑物。水錘過程、調(diào)壓室水位波動(dòng)過程及機(jī)組轉(zhuǎn)速變化這三種過程是相互聯(lián)系、互為因果的?；痉匠淌剑?）水錘基本微分方程：當(dāng)略去摩阻時(shí)水錘的基本微分方程：波動(dòng)方程： ，其通解為：，；稱為逆流波，f(t)稱為順流波。連鎖方程：管道任意兩斷面之間滿足壓力和流速的關(guān)系。下角標(biāo)表示時(shí)間，上角標(biāo)表示位置。 2）調(diào)壓室基本方程 3）水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速方程第九章 水錘及調(diào)保計(jì)算的解析方法水錘波在管道中傳播一個(gè)來回的時(shí)間為2L/a（L為管道長度，a為水錘波波速），稱為“相”,兩個(gè)相為一個(gè)周期。直接水錘（

23、Ts2L/a）：當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)間Ts等于或小于一相時(shí)，也即是由水庫處反射回來的水錘波尚未到達(dá)閥門之前，閥門已經(jīng)關(guān)閉終止，這種水錘稱為直接水錘。直接水錘產(chǎn)生的壓力升高是相當(dāng)巨大的，應(yīng)采取種種措施避免。其按下式計(jì)算：.間接水錘（Ts大于2L/a）：當(dāng)閥門關(guān)閉過程結(jié)束前，水庫異號(hào)反射回來的降壓波已經(jīng)到達(dá)閥門處，降壓波對(duì)該處產(chǎn)生的升壓波起著抵消作用，使閥門處的水錘升壓值小于直接水錘值，這種水錘稱為間接水錘。沖擊式水輪機(jī)噴嘴的出流規(guī)律，也就是管端處的邊界條件：；第n相末的水錘壓力：，適用條件：1）沒有考慮管道的摩阻，因此只能用于不計(jì)摩阻的情況；2）閥門端采用了孔口出流的特性，因此只適用于沖擊式水輪機(jī)，對(duì)反

24、擊式水輪機(jī)必須另作修正；3）其在任意開度下都是適用的。4）開度指相對(duì)開度，適用于直線變化。管道特性系數(shù)：，。開度依直線規(guī)律變化的水錘為了簡化計(jì)算，常取閥門的關(guān)閉過程線的直線段加以適當(dāng)延長得到，稱為有效關(guān)閉時(shí)間。一般為0.60.95，則一個(gè)相對(duì)開度的變化。，經(jīng)常發(fā)生第一相水錘，最大水錘壓力出現(xiàn)在第一相末。常發(fā)生在管道較長的高水頭（250m以上）電站。，經(jīng)常發(fā)生末相水錘，最大水錘壓力發(fā)生在閥門關(guān)閉終了的相末，又稱為極限水錘。末相水錘常發(fā)生在管道較短的低水頭（200m以下）電站。，隨不同而發(fā)生第一相或者末相，個(gè)別情況下，發(fā)生直接水錘。計(jì)算公式：，。起始開度對(duì)水錘的影響：臨界開度時(shí)，發(fā)生最大直接水錘，

25、；水輪機(jī)的空轉(zhuǎn)開度，從空轉(zhuǎn)到停機(jī)，導(dǎo)葉可以關(guān)閉很慢，水錘壓力大大減小，如果大于臨界開度，就不可能發(fā)生直接水錘，空轉(zhuǎn)開度與機(jī)型有關(guān)，混流式0.080.12，轉(zhuǎn)漿式0.070.10。開度變化規(guī)律對(duì)水錘壓力的影響：在水電站運(yùn)行實(shí)踐中，閥門的啟閉規(guī)律不完全是直線而往往采用非直線的；2）在高水頭電站中常要發(fā)生第一相水錘，所以可以采取先慢后快的非直線關(guān)閉規(guī)律，以降低第一相水錘值；3）在低水頭水電站中常要發(fā)生末相水錘，所以可采取先快后慢的非直線關(guān)閉規(guī)律，以降低末相水錘值；4）如果閥門采取直線關(guān)閉規(guī)律，發(fā)生的水錘值都遠(yuǎn)較非直線規(guī)律關(guān)閉的水錘大；5）通過調(diào)速器或針閥等設(shè)備采取比較合理的啟閉規(guī)律，可以作為減小水錘

26、壓力和解決調(diào)節(jié)保證問題的措施之一。當(dāng)閘門啟閉終了后，水錘不是立即消失，而是要經(jīng)歷一定的時(shí)間后才趨于穩(wěn)定。設(shè)閘門終了開度為，則：，閘門完全關(guān)閉時(shí)，管道末端出現(xiàn)不衰減的水錘壓力。當(dāng)部分關(guān)閉時(shí)，1）1，相鄰兩項(xiàng)水錘具有相反的符號(hào)，并隨著相數(shù)增加，逐漸衰減，但不發(fā)生波動(dòng)現(xiàn)象。越小，越容易發(fā)生反水錘。閥門開啟出現(xiàn)的水錘，其值永遠(yuǎn)小于0.25，當(dāng)=1/3時(shí)，最大。常見的是復(fù)雜管路系統(tǒng)，共有三種類型：1）一種是管壁厚度隨水頭增加而逐漸加厚，而直徑隨水頭增加而逐漸減小，這種復(fù)雜管有時(shí)稱為串聯(lián)管，采用等價(jià)管法計(jì)算，串聯(lián)管轉(zhuǎn)化為簡單管后應(yīng)滿管長、相長和管中水體動(dòng)能等與原管相同；2）另一種是分岔管，這在分組供水和聯(lián)

27、合供水中經(jīng)常遇到無論是串聯(lián)管或分岔管，水錘波在水管特性變化處都將會(huì)發(fā)生反射和透射，從而使水錘現(xiàn)象和計(jì)算大為復(fù)雜，采用截肢法計(jì)算；3）裝有反擊式水輪機(jī)的管道系統(tǒng)，應(yīng)考慮蝸殼和尾水管的影響，而且其過流特性與孔口出流不一樣，流量不僅與作用水頭有關(guān)，而且與水輪機(jī)的機(jī)型和轉(zhuǎn)速有關(guān)，將蝸殼視作壓力水管的延續(xù)部分，并假想把導(dǎo)葉移至尾水管的末端，成為壓力管道的一部分，水錘壓力為管道末端和尾水管中水錘壓力之和（關(guān)閉時(shí)均取正，開啟時(shí)取負(fù)值）。極限水錘壓力分布規(guī)律：，以直線分布。第一相水錘不是直線變化，正水錘向上凸，負(fù)水錘向下凹，假定按直線分布偏于安全。減小水錘壓力的措施：1）縮短壓力管道的長度，在較長的引水系統(tǒng)中

28、設(shè)置調(diào)壓室，是縮短壓力管道的常用措施；2）延長有效的關(guān)閉時(shí)間；反擊式水輪機(jī)設(shè)置減壓閥（空放閥），沖擊式水輪機(jī)設(shè)置折流板；3）減小壓力管道中的流速，但是減小了水體動(dòng)能，從而減小水錘壓力，流量一定的情況下，需要增加斷面，增加管道造價(jià)，要和設(shè)調(diào)壓室比較。4）采用合理的閥門調(diào)節(jié)規(guī)律；5）設(shè)置水阻器。設(shè)減壓閥的壓力管道強(qiáng)度需按減壓閥失靈而產(chǎn)生的水錘壓力校核。第十章 調(diào)壓室調(diào)壓室的功用：為了改善水錘現(xiàn)象，常在有壓引水隧洞（或水管）與壓力管道銜接處建造的反射水錘波、降低水錘壓力而設(shè)置的建筑物。調(diào)壓室的原理：調(diào)壓室利用擴(kuò)大的斷面和自由水面反射水錘波，將有壓引水系統(tǒng)分成兩段。引水道調(diào)壓室系統(tǒng)：上游段為有壓引水隧

29、洞，調(diào)壓室使隧洞基本上避免了水錘壓力的影響；下游段為壓力管道，由于長度縮短了，從而降低了壓力管道中的水錘值，改善了機(jī)組的運(yùn)行條件及供電質(zhì)量。引水道調(diào)壓室系統(tǒng)不穩(wěn)定流的特點(diǎn)，是大量水體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，周期較長，伴隨著水體運(yùn)動(dòng)，引水道內(nèi)有不大的和緩慢的壓力變化，特點(diǎn)與水錘相同，當(dāng)調(diào)壓室水位達(dá)到最高水位之前，水錘壓力早已衰減，兩者最大值一般不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。產(chǎn)生兩邊系統(tǒng)正向波疊加的機(jī)率很小，但不能說沒有可能。調(diào)壓室的功用可歸納為以下三點(diǎn)：（1）反射水錘波；（2）縮短壓力管道的長度。（3）改善機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件及系統(tǒng)供電質(zhì)量。調(diào)壓室的大部分或全部設(shè)置在地面以上的稱為調(diào)壓塔；調(diào)壓室大部分埋在地面之下者，

30、則稱為調(diào)壓井。對(duì)調(diào)壓室的基本要求：（1）調(diào)壓室的位置應(yīng)盡量靠近廠房，以縮短壓力管道的長度。（2） 能較充分地反射壓力管道傳來的水錘波。（3） 調(diào)壓室的工作必須是穩(wěn)定的。在負(fù)荷變化時(shí)，引水道及調(diào)壓室水體的波動(dòng)應(yīng)該迅速衰減，達(dá)到新的恒定狀態(tài)。（4） 正常運(yùn)行時(shí)，水頭損失要小。（5） 工程安全可靠，施工簡單方便，造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。初步分析時(shí)，可用表征壓力引水系統(tǒng)慣性大小的水流加速加速時(shí)間，也稱作引水壓力管道的慣性時(shí)間常數(shù)來判斷設(shè)置上游調(diào)壓室的條件，計(jì)算；表示在水頭H作用下，當(dāng)不計(jì)水頭損失時(shí)，管道內(nèi)流速從零增加到v所需要的時(shí)間。判斷是否設(shè)置下游調(diào)壓室，是以尾水管不產(chǎn)生液柱分離為前提。調(diào)壓室的布置：上游、下

31、游、上下游雙室、上游雙室。調(diào)壓室基本類型：1）簡單圓筒調(diào)壓室：特點(diǎn)：a、自上而下具有相同的斷面，結(jié)構(gòu)簡單反射水錘波好，但波動(dòng)幅度較大，衰減慢；b、挖方大，不經(jīng)濟(jì)；C、正常運(yùn)行時(shí)水流的水頭損失較大。適用：多用于低水頭小容量電站。 2）阻抗式調(diào)壓室：特點(diǎn)：底部收縮，能有效的減小調(diào)壓室的水位升高值和降低值，從而減小調(diào)壓室的尺寸，其波動(dòng)振幅小但反射水錘波較差。適用：中水頭和引水道長度不大的電站。 3）水室式調(diào)壓室：特點(diǎn)：由一個(gè)斷面較小的豎井和兩個(gè)斷面較大的儲(chǔ)水室組成，能夠儲(chǔ)水，調(diào)壓能力很大，而其比較穩(wěn)定。適用于高水頭、要求穩(wěn)定斷面小而水庫的工作深度較大的水電站。 4）溢流式調(diào)壓室：上部有溢流堰，水流流

32、動(dòng)情況較大。容積小，挖方小。水位下降的波動(dòng)無法限制，常與雙室式結(jié)合使用。 5）差動(dòng)式調(diào)壓室：特點(diǎn)：由兩個(gè)不同半徑的同心圓組成。綜合地吸取了阻抗式和溢流式的優(yōu)點(diǎn)。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，升管易受側(cè)向水壓而不穩(wěn)。造價(jià)高。適用：地形地質(zhì)條件不允許大斷面及距離地面較深的調(diào)壓室時(shí)的中高水頭水電站。 6）氣墊式或半氣墊式調(diào)壓室：優(yōu)點(diǎn)：不受地形限制，可盡量靠近廠房，大大減小水錘壓力。缺點(diǎn)：水波動(dòng)穩(wěn)定性差，需空氣壓縮機(jī)定期補(bǔ)氣，適用：深埋于地下的引水道式。調(diào)壓室水位波動(dòng)計(jì)算目的是決定調(diào)壓室的基本尺寸和水位波動(dòng)的周期及衰減程度，其內(nèi)容應(yīng)包括：由調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定條件確定調(diào)壓室的斷面積；計(jì)算調(diào)壓室最高涌波水位，從而確定調(diào)壓

33、室的頂部高程；計(jì)算調(diào)壓室最低涌波水位，從而確定調(diào)壓室底部和壓力管道進(jìn)口的高程。調(diào)壓室水位波動(dòng)計(jì)算的解析法三大方程： 動(dòng)力方程： 連續(xù)方程： 等出力方程： 壓力管道中的沿程損失，為時(shí)引水道的水頭損失。調(diào)壓室最高涌波水位，應(yīng)出現(xiàn)在最高庫水位丟棄全負(fù)荷的情況下。計(jì)算最低涌波水位計(jì)算時(shí)，上游水庫應(yīng)為最低水位，丟棄全負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的第二波動(dòng)振幅，增加負(fù)荷時(shí)的最低涌波水位，比較兩種情況的和，取其大值作為調(diào)壓室的最低涌波水位。調(diào)壓室水位波動(dòng)的計(jì)算方法：解析法、列表法、圖解法、電算法。調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定問題，在任何工作情況下都保證水位波動(dòng)是衰減的。根據(jù)三大方程得出引水道調(diào)壓室系統(tǒng)在無限小擾動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)微分方程，如下：其中，m為阻尼系數(shù)，w為振動(dòng)頻率。上述方程，只有在m0和時(shí)，振動(dòng)才是衰減的,即滿足條件：（1） 這是保證波動(dòng)穩(wěn)定所需的最小斷面，稱為托馬斷面，用表示。（2） 即要求引水道和壓力管道水頭損失之和必須小于水電站靜消減的1/3。托馬斷面修正：1）大波動(dòng)穩(wěn)定條件：要求在托馬斷面的結(jié)果上擴(kuò)大，大型電站擴(kuò)大10小型電站擴(kuò)大30%。 2）調(diào)壓室底部流速水頭的影響：引水道的直徑越大，長度越短，流速水頭的影響越顯著，考慮全部流速水頭是不妥的，卡戴爾公式：。 3）水輪機(jī)效率的影響：，效率變化不利影