一种新型阻尼阻抗式调压室实验研究

漆智鹏，鞠小明,2

(1.四川大学水利水电学院，成都 610065；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

0 引 言

水电站传统阻抗式调压室的设计和使用已经相当成熟和普遍，也是实际工程中使用最广泛的调压室之一[1,2]。传统阻抗式调压室依靠阻抗孔口的作用，阻抗孔口面积在满足一定要求的前提下，既可以降低蜗壳和压力钢管的水锤压力，又可以抑制调压室的涌浪水位[3,4]。本文在传统阻抗式调压室的基础上，提出了一种新型阻尼阻抗式调压室[5]，这种新型阻尼阻抗式调压室在保留了传统阻抗式调压室优势的基础上，利用阻尼阻抗的作用可以极大抑制调压室内的水位波动过程，不仅极大降低了机组甩负荷后的调压室最高和最低涌浪水位波动振幅，而且使得调压室的水位波动能够快速稳定，与传统阻抗式调压室相比，可以降低调压室的建造高度，减小施工开挖量，节省工程投资，具有实用和研究价值。新型阻尼阻抗式调压室借鉴了“水锤爆破膜”的原理[6,7]，设计了一种新的阻尼阻抗孔口。为验证这种新型阻尼阻抗式调压室的功能和效果，采用水力模型试验的手段和测试方法，分析比较了传统阻抗式调压室和新型阻尼阻抗式调压室的水力性能，为这种新型阻尼阻抗式调压室的进一步改进和使用提供试验依据。

1 新型阻尼阻抗式调压室的阻抗孔结构与原理

1.1 新型阻尼阻抗孔口装置结构设计

新型阻尼阻抗式调压室采用的阻尼阻抗孔基本原理如图1所示，针对传统阻抗式调压室阻抗孔口面积不能改变的现状，将常规阻抗式调压室的阻抗孔口设计成上下对称的缩放管形式，中间布置可自由活动的阻尼球，利用机械弹簧的自动回复功能和流体阻力与流量或流速有关的原理[8,9]，达到自动调整阻尼大小的目的。阻尼球与弹簧构成自动可调面积和可调阻尼的新型阻抗孔口，并且双向可调面积和阻尼大小。调压室底板高程以上的井筒部分仍然和传统调压室相同，电站正常运行调压室水位恒定时阻尼球封闭阻抗孔口，阻尼球所处位置的面积即是常规阻抗式调压室的阻抗孔口面积。图中上扩管中的上支架和下扩管中的下支架分别采用十字梁固定在调压室底板和底部隧洞上，上下支架分别与上下弹簧固定，弹簧直径大于中间的阻抗孔口直径，上弹簧下端与阻尼球之间采用可活动连接，下弹簧上端与阻尼球之间也采用可活动的连接，阻尼球向上压缩上弹簧时下弹簧不动，向下压缩下弹簧时上弹簧不动。上下支架之间布置一根钢柱，位于弹簧中心位置，在阻尼球中间穿孔，套在钢柱上，这样阻尼球可上下自由移动，阻尼球与孔口之间留有一定的间隙，便于水流通过形成压力差，阻尼球起到类似“水锤爆破膜”中的膜瓣作用或安全阀的作用，只要调压室底部压力增加或减小，阻尼球就将离开中间平衡位置，放大阻抗孔口面积，达到减小水锤压力的作用，同时在水锤压力波快速消失后，调压室水位波动过程中阻尼球往复运动，减小阻抗孔口面积，增大阻尼作用，达到降低调压室水位波动幅值的作用。新型阻尼阻抗实验装置的实物照片如图2所示，新型调压室整体实验装置如图3所示。

图1 阻尼阻抗孔装置原理图(单位：mm)Fig.1 Schematic diagram of damped impedance hole device

图2 阻尼阻抗装置实物照片Fig.2 Photos of real situation of damped impedance device

图3 调压室整体实验装置Fig.3 Experimental device of new type surge chamber

1.2 工作原理

调压室正常运行时，无论调压室的初始运行水位高低，只要是恒定运行工况，进出调压室的流量为零，阻尼球总是位于阻抗孔中央位置，封挡住大部分阻抗孔口的面积。当水轮发电机组丢弃负荷后，水轮机导叶关闭，压力钢管压力升高，调压室底部压力升高，水流向上流入调压室井筒，向上推开阻尼球，阻抗孔口打开，防止压力钢管和水轮机蜗壳水锤压力进一步升高，并且压缩上弹簧，下弹簧不动，此时阻尼球位于上扩管中，水流进入调压室时阻尼球形成流体阻力，制约了调压室水位升高。随着向上流入调压室中的流量逐渐减小和水锤压力的消失，阻尼球受到的向上的水压力减小，在上弹簧的作用下，阻尼球慢慢向中间阻抗孔内回复，阻抗孔口面积减小，进一步制约调压室的最高涌浪水位。当机组增加负荷时，压力钢管压力降低，调压室底部压力降低，水流由调压室井筒向下流动，向下推开阻尼球，阻抗孔同样可以打开，防止压力钢管和水轮机蜗壳水锤压力进一步降低，并且压缩下弹簧，上弹簧不动，此时阻尼球位于下扩管中，水流向下流出调压室，阻尼球同样形成流体阻力，制约调压室的水位降低，其后在下弹簧作用下，阻尼球又回复到中间位置。因此这种设计可以双向作用，比相同阻抗孔面积的传统调压室降低了水位波动幅值，在不增加过多水锤压力的前提下调压室最高涌浪水位大大降低，可以降低调压室的设计高度，节约调压室的工程量和投资。同时还能提高调压室的最低涌浪水位，有利于调压室的运行安全。特别是正常运行时，由于阻尼球位于阻抗孔中央，并不完全封闭阻抗孔口，仅仅是缩小了阻抗孔口的面积，对电站引水系统的小波动稳定性更有利[7]。

2 新型阻尼阻抗式调压室和传统阻抗式调压室的实验成果对比和分析

2.1 实验装置和实验过程

根据某水电站阻抗式调压室的实际尺寸按1∶50的比例缩小，建造了调压室整体模型实验装置，如图3所示。模型调压室井筒直径322 mm，阻抗孔口直径为70 mm。新型阻尼阻抗孔装置上扩孔直径100 mm，长度120 mm，阻抗孔口直径也为70 mm，下扩孔直径100 mm，长度120 mm，阻尼球直径60 mm，实物如图2所示。设计尺寸保证了上扩孔横截面面积减去阻尼球的横截面面积后仍然大于阻抗孔的截面积。

2.2 实验过程

将传统阻抗式调压室和新型阻尼阻抗式调压室在相同的试验条件下进行试验比较。为了保证模型机组关闭时间相同，实验采用气动控制快速阀门进行流量控制，模拟机组甩负荷过程。由于实验室气动闸门的关闭时间较快，采用快速摄影进行时间记录，以240帧/秒的速度来记录气动阀门的关闭时间。通过多次反复试验，基本可以保证两种调压室的实验装置的机组关机时间相同。使用泰斯特公司的数字压力传感器记录相同长度和相同材料压力钢管的水锤压力，进行比较实验时传感器设置位置完成相同，采用Smartsensor计算机数据采集软件进行实验数据采集，直接用笔记本电脑进行压力数据记录和输出。

2.3 实验成果对比和分析

实验在相同的水库水位和初始流量下进行，保证调压室的初始运行水位相同，比较阀门相同关闭时间下压力钢管的水锤压力和调压室水位波动过程。通过试验，对比新型阻尼阻抗式调压室与传统阻抗式调压室的水力性能，得到最高涌浪水位实验数据与压力管道的水锤压力试验数据如表1所示。

表1 新型阻尼阻抗式调压室和传统阻抗式调压室实验成果比较表Tab.1 Comparison of experimental results between the new type damped impedance surge chamber and the traditional one

从实验成果表1分析，传统阻抗式调压室最高涌浪水位平均值255.04 cm，而新型阻尼阻抗式调压室最高涌浪水位平均值只有247.16 cm，降低了7.88 cm。表1中每次实验的最高涌浪水位数值减去调压室初始水位就是调压室最高涌浪水位的升高值。机组甩负荷后传统阻抗式调压室水位平均上升了21.04 cm，而新型阻尼阻抗式调压室平均升高了13.16 cm。阻尼阻抗式调压室最高涌浪水位相比于传统阻抗式调压室降低了约37.45%，可见阻尼阻抗式调压室可以极大降低最高涌浪水位，在实际工程运用中，可以降低调压室的建造高度，减小施工开挖量，节省工程投资。

图4是两种调压室在丢弃相同负荷(模型测量的是机组流量)时的水位波动过程，可以看出，相较于传统阻抗式调压室，阻尼阻抗式调压室的水位波动振幅小，衰减快，更容易稳定，并且最低涌浪水位较传统调压室更高，对水位波动有明显的抑制作用，说明调压室的水位波动性能更好。其原因是阻尼阻抗式调压室可以利用阻尼球对阻抗孔口面积和阻尼双向自动调节，若将此调压室应用于水电站工程建设中，可以大量减少常规调压室的开挖工程量，节省工程投资。

图4 调压室水位波动图Fig.4 Water level fluctuation process after load rejection

在降低水锤压力方面，采用传统阻抗式调压室的压力管道水锤压力平均值是139.49 kPa，而阻尼阻抗式调压室平均值为161.18 kPa，水锤压力升高了21.69 kPa。这是因为阻尼阻抗式调压室阻抗孔口增加了阻尼作用，压力管道的水锤压力有所升高是合理的，按照模型比尺1∶50计算，原型水锤压力大约增加了15 m左右。这个水锤压力的增加与阻尼弹簧的弹性系数有关，采用刚度越小的弹簧，水锤压力的增加会越小，实验仅采用了一种弹性系数的弹簧，水锤压力大约增加了15.55%左右。实测采用两种调压室的压力钢管水锤压力变化过程如图5所示。

图5 管道水锤压力Fig.5 Water hammer pressure in penstock

上述分析表明，新型阻尼阻抗式调压室在降低调压室水位波动幅值方面有优越性，在防止水锤压力升高方面有不利的一面，如何寻求在降低涌浪水位波动振幅的同时又不至于过多的提高水锤压力，这是下阶段需要继续研究的工作，并且这种新型阻尼阻抗式调压室的水力计算方法和数学模型计算研究也是需要进一步研究的内容[11-14]，本文仅提供了该新型调压室的水力实验成果。

3 结 语

本文介绍了新型阻尼阻抗式调压室的结构特点及工作原理，通过水力模型试验，证明了其在抑制调压室水位波动方面的优越性。得到如下研究结论：

(1)阻尼阻抗调压室能够有效减小水位波动振幅，降低最高涌浪水位，提高最低涌浪水位，调压室水位波动衰减快，相比于传统阻抗式调压室有更好的水位波动水力性能。

(2)阻尼阻抗调压室在有效减小水位波动振幅的同时可能会增加压力管道的水锤压力，实验条件下水锤压力增加不大，研究合适的阻尼弹簧和寻求最优的总体效果是这种新型阻尼阻抗式调压室研究的关键。 本文对新型阻尼阻抗式调压室的实验研究为今后开发和研究新型调压室提供了借鉴和参考。

□