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1、第九章第九章 调压室调压室第一节第一节 调压室的要求及设置条件调压室的要求及设置条件第二节第二节 调压室的工作原理及基本方程调压室的工作原理及基本方程第三节第三节 调压室的布置方式和类型调压室的布置方式和类型第四节第四节 调压室水位波动计算调压室水位波动计算第五节第五节 调压室水位波动的稳定问题调压室水位波动的稳定问题第六节第六节 调压室水力计算条件调压室水力计算条件第七节第七节 尾水调压室的水力计算尾水调压室的水力计算第八节第八节 调压室结构布置和结构设计调压室结构布置和结构设计调压室第一节第一节 调压室的要求及设置条件调压室的要求及设置条件问题：为什么设置调压室？问题：为什么设置调压室？在
2、较长的压力引水系统中，为了降低高压在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的水锤压力，满足机组调节保证计算管道的水锤压力，满足机组调节保证计算的要求，常在压力引水道与压力管道衔接的要求，常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室。处建造调压室。调压室将有压引水系统分成两段：上游段调压室将有压引水系统分成两段：上游段为为压力引水道压力引水道，下游段为，下游段为压力管道压力管道。调压室的功用可归纳为：调压室的功用可归纳为：（1）反射水锤波。基本上避免了）反射水锤波。基本上避免了(或减小或减小)压力管道压力管道传来的水锤波进入压力引水道。传来的水锤波进入压力引水道。（2）减小了水锤压力）减小了水锤压力
3、(压力管道及厂房过水部分压力管道及厂房过水部分)。缩短了压力管道的长度。缩短了压力管道的长度。（3）改善机组在负荷变化时的运行条件。调压室有）改善机组在负荷变化时的运行条件。调压室有一定的容量，离厂房较近，机组负荷变化时能迅速一定的容量，离厂房较近，机组负荷变化时能迅速补充或存蓄一定水量，有利于机组的稳定运行，从补充或存蓄一定水量，有利于机组的稳定运行，从而改善水电站的供电质量。而改善水电站的供电质量。v调压室的功用调压室的功用（1）尽量靠近厂房尽量靠近厂房，以缩短压力管道的长度。，以缩短压力管道的长度。（2）应有自由水表面和足够的底面积应有自由水表面和足够的底面积，以保证水锤，以保证水锤波的
4、充分反射；波的充分反射；（3）调压室的调压室的工作必须是稳定的工作必须是稳定的。负荷变化时，引。负荷变化时，引水道及调压室水体的波动应该迅速衰减；水道及调压室水体的波动应该迅速衰减；（4）正常运行时，水流经过调压室正常运行时，水流经过调压室底部造成的水头底部造成的水头损失要小损失要小。（5）结构安全可靠，施工简单方便，经济合理结构安全可靠，施工简单方便，经济合理。v调压室的基本要求调压室的基本要求v调压室的设置条件调压室的设置条件调压室一般尺寸较大，投资较大，工期长，特别是对调压室一般尺寸较大，投资较大，工期长，特别是对于低水头电站，调压室的造价可能占整个引水系统造于低水头电站，调压室的造价可
5、能占整个引水系统造价的相当大的比例。价的相当大的比例。在有压引水道中设置调压室后，一方面使有压引水道在有压引水道中设置调压室后，一方面使有压引水道基本上避免了水锤压力的影响，减小了压力管道中的基本上避免了水锤压力的影响，减小了压力管道中的水锤压力，改善了机组的运行条件，从而减少了它们水锤压力，改善了机组的运行条件，从而减少了它们的造价；但另一方面却增加了设置调压室的造价。因的造价；但另一方面却增加了设置调压室的造价。因此是否需要设置调压室，应在机组调节保证计算和运此是否需要设置调压室，应在机组调节保证计算和运行条件分析的基础上，考虑水电站在电力系统中的作行条件分析的基础上，考虑水电站在电力系统
6、中的作用、地形及地质条件和压力水道的布置等因素，进行用、地形及地质条件和压力水道的布置等因素，进行技术经济比较技术经济比较后加以确定。后加以确定。当当TwTw24s24s时，可不设调压室。时，可不设调压室。当水电站单独运行时，或机组在电力系统中所当水电站单独运行时，或机组在电力系统中所占的比例超过占的比例超过50%50%时，取小值时，取小值(2s)(2s)；当比重小于；当比重小于10%20%10%20%时，可取大值。时，可取大值。1 1、上游调压室的设置条件、上游调压室的设置条件(初步判定初步判定)用水流加速时间用水流加速时间(也称为压力引水道的时间常数也称为压力引水道的时间常数)T)Tw w
7、 来判断是否设置调压室：来判断是否设置调压室：2 2、下游调压室的设置条件、下游调压室的设置条件以尾水管内不产生液柱分离为前提，条件为：以尾水管内不产生液柱分离为前提，条件为：L Lw w尾水道长度；尾水道长度；V Vw0w0稳定运行时尾水管流速；稳定运行时尾水管流速；V Vw wj j尾水管入口处流速；尾水管入口处流速；安装高程。安装高程。最最终终通通过过调调节节保保证证计计算算，当当机机组组丢丢弃弃全全部部负负荷荷时时，尾尾水水管管内内的的最最大大真真空空度度不不宜宜大大于于8m8m水水柱柱。但但在在高高海拔地区应作高程修正海拔地区应作高程修正(见规范见规范)。第二节第二节 调压室的调压室
8、的工作原理工作原理及基本方程及基本方程v调压室的工作原理调压室的工作原理调压室具有较大的容积和自由水面，它调压室具有较大的容积和自由水面，它将电站因负荷变化而引起的有压系统非将电站因负荷变化而引起的有压系统非恒定流分为性质不同而又互相联系的两恒定流分为性质不同而又互相联系的两部分：压力管道的水锤和部分：压力管道的水锤和“水库水库引水引水道道调压室调压室”的水流波动。的水流波动。v丢弃全负荷丢弃全负荷流量变为流量变为0 0 压力管道中发生水压力管道中发生水锤锤水流继续流入调压室水流继续流入调压室调压室水位升高调压室水位升高流速逐渐降低，直到为流速逐渐降低，直到为0 0，此时水位最高，此时水位最高
9、反反向流动，水位下降向流动，水位下降水位与水库持平时，水流水位与水库持平时，水流惯性使得继续流向水库，直到流速惯性使得继续流向水库，直到流速=0=0 再次再次向下游流动，循环往复。向下游流动，循环往复。v增加负荷，与其相反。增加负荷，与其相反。v经常性的负荷变动经常性的负荷变动水位相应变动水位相应变动(负荷保持不负荷保持不变变)流量相应变化流量相应变化调压室水位波动。调压室水位波动。特点：可以有效减小水位波动振幅，加快衰减速度，因而所需调压室的体积小于圆筒式。随后又降到最低幅值Z2，Z2称为第二振幅。随后又降到最低幅值Z2，Z2称为第二振幅。第四节 调压室的水位波动计算但由于调压室底部水流状态
10、紊乱，故不能考虑全部流速水头的作用。岩石或回填土的主动土压力。尾水调压室水力计算的方法与上游调压室相同。基本上避免了(或减小)压力管道传来的水锤波进入压力引水道。增加负荷时，水位迅速下降到下室中，并由下室补充不足的水量，因此限制了水位的下降。(2)圆筒式调压室(只要不考虑附加阻抗，即=0)由调压室水位波动的稳定条件，确定调压室的断面积；（2）减小了水锤压力(压力管道及厂房过水部分)。hw0、hr0 分别为流量为Q0时引水道和水流进出调压室所引起的水头损失；v调压室水位波动调压室水位波动管道水锤过程管道水锤过程是水击波的传播，振幅大、变化是水击波的传播，振幅大、变化快，往往在很短时间内即消失。快
11、，往往在很短时间内即消失。调压室水位波调压室水位波动动主要由于水体的往复运动引起，特点是振幅主要由于水体的往复运动引起，特点是振幅小、变化慢、周期长，往往长达几十秒到几百小、变化慢、周期长，往往长达几十秒到几百秒甚至更长时间。秒甚至更长时间。调压室的水位波动调压室的水位波动有两种趋势，一种是逐渐衰有两种趋势，一种是逐渐衰减；另一种是逐渐增大，这是调压室设计应该减；另一种是逐渐增大，这是调压室设计应该避免的。避免的。v研究调压室水位波动的目的研究调压室水位波动的目的研究调压室水位波动的目的：研究调压室水位波动的目的：确确定定调调压压室室中中可可能能出出现现的的最最高高和和最最低低涌涌波波水水位位
12、及及其其变变化化过过程程，以以确确定定调调压压室室的的高高度度、布置高程和引水道的设计内水压力。布置高程和引水道的设计内水压力。根根据据水水位位波波动动稳稳定定的的要要求求，确确定定调调压压室室所所需的最小断面面积。需的最小断面面积。第三节第三节 调压室的布置方式和类型调压室的布置方式和类型 1 1、上游调压室、上游调压室(引水调压室引水调压室)位于厂房上游引水道上。位于厂房上游引水道上。适用：厂房上游有压引水道较长，应用最广泛。适用：厂房上游有压引水道较长，应用最广泛。v调压室的布置方式调压室的布置方式 2 2、下游调压室、下游调压室(尾水调压室尾水调压室)位位于于厂厂房房下下游游尾尾水水洞
13、洞上上。适适用用尾尾水水隧隧洞洞较较长长，需需设设置置尾尾水水调调压压室室以以减减小小水水击击压压力力，特特别别是是防防止止丢丢弃弃负负荷荷时时产产生生过过大大的的负负水水击击，尾尾水水调调压压室室应应尽可能靠近厂房。尽可能靠近厂房。3 3、上下游双调压室系统、上下游双调压室系统 当当采采用用中中部部地地下下厂厂房房时时，上上下下游游都都有有较较长长的的压压力力水道，在厂房上下游均设置调压室。水道，在厂房上下游均设置调压室。4 4、上游双调压室系统、上游双调压室系统 适适用用于于上上游游引引水水道道较较长长情情况况。靠靠近近厂厂房房的的调调压压室室对对反反射射水水击击波波起起主主导导作作用用，
14、称称为为主主调调压压室室；另另一一调调压压室室帮帮助助衰衰减减引引水水系系统统的的波波动动，称称为为辅辅助助调调压压室室。水水位位波波动动的的衰衰减减由由两两个个调调压压室室共共同同保保证证，增增加一个调压室可以减小另一个调压室的断面。加一个调压室可以减小另一个调压室的断面。v调压室的基本类型调压室的基本类型其中 hw=V2=hw0(V/V0)2,hr=V2=hr0(V/V0)2调压室一般尺寸较大，投资较大，工期长，特别是对于低水头电站，调压室的造价可能占整个引水系统造价的相当大的比例。第六节 调压室水力计算条件1、简单式调压室LT、fT、T分别为尾水隧洞的长度、断面积和阻力系数。Vwj尾水管
15、入口处流速；电站并网运行有利于波动稳定。管道水锤过程是水击波的传播，振幅大、变化快，往往在很短时间内即消失。正常运行：最高内水压力+温度及收缩应力+岩石弹性抗力（1）反射水锤波。3等出力方程(二)、增加负荷情况在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的水锤压力，满足机组调节保证计算的要求，常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室。2波动第二振幅(Z2)思 考 题水电站水头越小，要求的稳定断面越大。为了克服上述缺点，可采用有连接管的圆筒式调压室。1 1、简单式调压室简单式调压室 特点：断面尺寸形状不变，结构简单，反射水击特点：断面尺寸形状不变，结构简单，反射水击波效果好。但水位波动振幅较大，衰减
16、较慢，因波效果好。但水位波动振幅较大，衰减较慢，因而调压室的容积较大；在正常运行时，引水系统而调压室的容积较大；在正常运行时，引水系统与调压室连接处水力损失较大。为了克服上述缺与调压室连接处水力损失较大。为了克服上述缺点，可采用有连接管点，可采用有连接管的圆筒式调压室。的圆筒式调压室。适用：低水头小流量电站。适用：低水头小流量电站。2 2、阻抗式调压室阻抗式调压室 将将圆圆筒筒式式调调压压室室底底部部改改为为阻阻抗抗孔孔口口，这这种种孔孔口口或或隔隔板板相当于局部阻力，即为阻抗式调压室。相当于局部阻力，即为阻抗式调压室。特特点点：可可以以有有效效减减小小水水位位波波动动振振幅幅，加加快快衰衰减
17、减速速度度，因而所需调压室的体积小于圆筒式。因而所需调压室的体积小于圆筒式。正常运行时水头损失小。正常运行时水头损失小。由由于于阻阻抗抗的的存存在在，水水击击波波不不能能完完全全反反射射，压压力力引引水水道中可能受到水击的影响。道中可能受到水击的影响。3 3、双室式调压室双室式调压室 特点：特点：双室式调压室是由双室式调压室是由一个竖井一个竖井和和上下两个上下两个储水室储水室组成。丢弃负荷时，组成。丢弃负荷时，水位迅速上升，水位迅速上升，当水位达到上室时，其上升速度放慢，从而减当水位达到上室时，其上升速度放慢，从而减小波动振幅。增加负荷时，小波动振幅。增加负荷时，水位迅速下降到下室中，并水位迅
18、速下降到下室中，并由下室补充不足的水量，因由下室补充不足的水量，因此限制了水位的下降。此限制了水位的下降。适用：适用：水头较高，要求的稳水头较高，要求的稳定断面较小，水库水位变化定断面较小，水库水位变化比较大的水电站。比较大的水电站。4 4、溢流式调压室溢流式调压室 由双室式调压室发展而成，顶部设有溢流堰。由双室式调压室发展而成，顶部设有溢流堰。丢弃负荷时，调压室的水位迅速上升，达到溢丢弃负荷时，调压室的水位迅速上升，达到溢流堰顶后开始溢流，限制了水位的进一步升高，流堰顶后开始溢流，限制了水位的进一步升高，有利于机组的稳定运有利于机组的稳定运行，溢出的水量，可以设行，溢出的水量，可以设上室加以
19、储存，也可排至上室加以储存，也可排至下游。下游。5 5、差动式调压室差动式调压室由两个直径不同的同心圆筒组成，中间的圆筒直径较由两个直径不同的同心圆筒组成，中间的圆筒直径较小，上有溢流口，称为升管，其底部以阻力孔口与外小，上有溢流口，称为升管，其底部以阻力孔口与外室相通。室相通。特点：特点：外室直径较大，起盛水及保证稳定的作用，其外室直径较大，起盛水及保证稳定的作用，其断面积由波动稳定条件控制。差动式调压室所需容积断面积由波动稳定条件控制。差动式调压室所需容积较小，水位波动衰减得也较快。较小，水位波动衰减得也较快。但其构造复杂，施工难度大，造价高。但其构造复杂，施工难度大，造价高。适用：适用：
20、地形和地质条件不允许大断面地形和地质条件不允许大断面的中高水头水电站，我国采用较多。的中高水头水电站，我国采用较多。6 6、气垫式或半气垫式调压室气垫式或半气垫式调压室 在压力隧洞上靠近厂房的位置建造一个大洞室，在压力隧洞上靠近厂房的位置建造一个大洞室，室中一部分充水，另一部分充满高压空气。利用室中一部分充水，另一部分充满高压空气。利用空气的压缩或膨胀，来减小水位涨落的幅度。空气的压缩或膨胀，来减小水位涨落的幅度。适用：表层地质条件不适适用：表层地质条件不适 于建造常规调压室的情况下于建造常规调压室的情况下 深埋于地下的引水式地下水深埋于地下的引水式地下水 电站。目前我国尚未采用。电站。目前我
21、国尚未采用。第四节第四节 调压室的水位波动计算调压室的水位波动计算 调压室水位波动计算的目的：调压室水位波动计算的目的：求出求出最高水位和最低水位最高水位和最低水位及水位变化过及水位变化过程，从而确定调压室的顶部和底部高程程，从而确定调压室的顶部和底部高程及压力管道的进口高程。及压力管道的进口高程。1 1连续方程连续方程 水轮机在任何时刻所需流量水轮机在任何时刻所需流量Q Q由两部分组成：引由两部分组成：引水道流来的流量和调压室供给的流量。水道流来的流量和调压室供给的流量。2 2运动方程运动方程(由牛顿第二定律推导由牛顿第二定律推导)引水道引水道长度长度v调压室水位波动的基本方程调压室水位波动
22、的基本方程库水位与调库水位与调压室水位差压室水位差引水道的引水道的水头损失水头损失调压室水位调压室水位下降速度下降速度 3 3等出力方程等出力方程 微小的水位波动微小的水位波动出力变化出力变化调速器保持出力不变。调速器保持出力不变。当当水水轮轮机机的的水水头头和和流流量量变变化化不不大大时时，可可以以认认为为机机组组的的效率保持不变。效率保持不变。h hw0w0、h hwm0wm0引水管道、压力管道通过流量为引水管道、压力管道通过流量为 Q Q0 0时时的水头损失的水头损失；(一一)、丢弃负荷情况丢弃负荷情况1 1最高水位计算最高水位计算(Z Zmaxmax)当丢弃全部负荷以后，当丢弃全部负荷
23、以后，Q Q0 0=0=0，连续方程变为：连续方程变为：fVfV+F Fd dZ Z/d/dt t=0=0如果考虑阻抗孔口的局部水头损失如果考虑阻抗孔口的局部水头损失h hr r，则动力方程为，则动力方程为 (L L/g g)d)dV V/d/dt=-Z-ht=-Z-hw w-h-hr r其中其中 h hw w=VV2 2=h hw0w0(V V/V V0 0)2 2,h hr r=VV2 2=h hr0r0(V/V0)2v水位波动计算的解析法水位波动计算的解析法h hw0w0、h hr0r0 分别为流量为分别为流量为Q Q0 0时引水道和水流进出调压室所时引水道和水流进出调压室所引起的水头损
24、失；引起的水头损失；、为引水道和调压室总阻力系数为引水道和调压室总阻力系数(1)(1)阻抗式调压室阻抗式调压室(阻抗系数为阻抗系数为)(2)(2)圆筒式调压室圆筒式调压室(只要不考虑附加阻抗，即只要不考虑附加阻抗，即=0)=0)x xmaxmax的符号在静水位以上为负，在静水位以下为正。的符号在静水位以上为负，在静水位以下为正。为为“引水道引水道-调压室调压室”系统特性系数。系统特性系数。令令2 2波动第二振幅波动第二振幅(Z(Z2 2)丢弃负荷后，调压室中水位先升高到最高水位丢弃负荷后，调压室中水位先升高到最高水位Z Zmaxmax 。随后又降到最低幅值。随后又降到最低幅值Z Z2 2，Z
25、Z2 2称为第二振幅。称为第二振幅。对于圆筒式调压室，对于圆筒式调压室，=0=0时：时：式中式中 (二二)、增加负荷情况增加负荷情况 计算增加负荷时发生最低涌波水位，由波动计算增加负荷时发生最低涌波水位，由波动微分方程不能进行直接积分，只能在某些假微分方程不能进行直接积分，只能在某些假定下求近似解。定下求近似解。设水电站的流量由设水电站的流量由mQmQ0 0增加到增加到Q Q0 0(m m11，称为，称为负荷系数负荷系数)。式中式中Z Zminmin/h/hw0w0为无因次系数，表示为无因次系数，表示“引水道引水道调压调压室室”系统特性。系统特性。对无阻抗的圆筒式调压室，即对无阻抗的圆筒式调压
26、室，即=0=0，按照，按照Vogt(Vogt(福福格特格特)公式计算公式计算Z Zminmin：上述两种情况所得的上述两种情况所得的Z Z2 2 和和Z Zminmin，取其大值作为调压，取其大值作为调压室的最低涌波水位。室的最低涌波水位。调压室水位波动解析法，是根据水流的连续方程和调压室水位波动解析法，是根据水流的连续方程和动力方程及特定的边界条件所求得特解和近似解。动力方程及特定的边界条件所求得特解和近似解。一般所求得的结果为波动的极限值，而且不是所有一般所求得的结果为波动的极限值，而且不是所有调压室结构和所有工况都能计算出结果。调压室结构和所有工况都能计算出结果。第五节第五节 调压室水位
27、波动的稳定问题调压室水位波动的稳定问题调压室在运行过程中，可将水位波动分为两种类型：调压室在运行过程中，可将水位波动分为两种类型：大波动，即电站发生大幅度的负荷变化，调压室中大波动，即电站发生大幅度的负荷变化，调压室中将发生较大的水位波动，且波动逐渐增强，出现不稳将发生较大的水位波动，且波动逐渐增强，出现不稳定现象；定现象；小波动，即电站微小的负荷变化所造成的水位小幅小波动，即电站微小的负荷变化所造成的水位小幅度波动，由于摩阻的影响，波动一定是衰减的，我们度波动，由于摩阻的影响，波动一定是衰减的，我们称之稳定波动。称之稳定波动。对调压室水位波动需研究稳定条件和改善措施。对调压室水位波动需研究稳
28、定条件和改善措施。v19101910年在德国汉堡水电站上曾发生过调压室波动年在德国汉堡水电站上曾发生过调压室波动的不稳定现象，托马首先进行了研究。的不稳定现象，托马首先进行了研究。v基本假定：基本假定：波动为无限小，以使微分方程线性化，从而容波动为无限小，以使微分方程线性化，从而容易得出解析解答；易得出解析解答；调速器能绝对保证水轮机出力为一常数；调速器能绝对保证水轮机出力为一常数；电站单独运行，机组效率保持不变；电站单独运行，机组效率保持不变；调压室与引水道直接连接，因而可不考虑调压调压室与引水道直接连接，因而可不考虑调压室底部流速水头的影响室底部流速水头的影响 v小波动稳定性小波动稳定性保
29、证调压室小波动稳定的两个条件：保证调压室小波动稳定的两个条件：1 1、必要条件是调压室断面、必要条件是调压室断面F F大于大于临界断面临界断面：2 2、引水道和压力管道水头损失之和必须小于水、引水道和压力管道水头损失之和必须小于水电站静水头的电站静水头的1/31/3，即，即压力管道水头损失压力管道水头损失引水道水头损失引水道水头损失：引水道的糙率：引水道的糙率 F Fk k表示调压室波动稳定的临界面积，通常表示调压室波动稳定的临界面积，通常称托马稳定断面；称托马稳定断面；，为引水道水头损失系数。为引水道水头损失系数。注：水电站水头愈低，要求的调压室断面积注：水电站水头愈低，要求的调压室断面积愈
30、大。愈大。如果调压室水位的波动幅值较大，则波动微分方程如果调压室水位的波动幅值较大，则波动微分方程式不能认为是线性的了，因此托马条件不能直接应式不能认为是线性的了，因此托马条件不能直接应用于大波动。用于大波动。研究表明，如小波动稳定不能保证，大波动必然不研究表明，如小波动稳定不能保证，大波动必然不能衰减。能衰减。为了保证大波动的稳定，一般要求调压室断面大于为了保证大波动的稳定，一般要求调压室断面大于托马断面，初步分析时可取托马断面，初步分析时可取(1.0(1.01.1)F1.1)Fk k，作为调压，作为调压室的设计断面，然后利用数值方法求解和验证。室的设计断面，然后利用数值方法求解和验证。设计
31、的最后阶段才检验调压室的大波动稳定性。设计的最后阶段才检验调压室的大波动稳定性。v大波动稳定性大波动稳定性1 1、水电站水头的影响水电站水头的影响v水电站水头越小，要求的稳定断面越大。水电站水头越小，要求的稳定断面越大。v中低水头的水电站多采用简单式、差动式或阻抗式中低水头的水电站多采用简单式、差动式或阻抗式调压室；高水头水电站中，主要受振幅控制，多采调压室；高水头水电站中，主要受振幅控制，多采用双室式调压室。用双室式调压室。v调压室的稳定断面采用水电站正常运行时可能出现调压室的稳定断面采用水电站正常运行时可能出现的最低水头进行计算。的最低水头进行计算。v影响波动稳定的主要因素影响波动稳定的主
32、要因素2 2、引水系统糙率的影响、引水系统糙率的影响v引水系统糙率愈大，水头损失系数引水系统糙率愈大，水头损失系数 愈大，虽愈大，虽然然H H1 1=H H0 0-h hw0w0-3-3h hwm0wm0随糙率的增大而减小，但其随糙率的增大而减小，但其影响远比影响远比 小。小。v因此，为了安全，计算因此，为了安全，计算F Fk k时应采用可能的最小时应采用可能的最小糙率。糙率。3 3、调压室位置的影响、调压室位置的影响v由由H H1 1=H H0 0-h hw0 w0-3-3h hwm0wm0可知，在引水线路不变可知，在引水线路不变的情况下，调压室愈靠近厂房，的情况下，调压室愈靠近厂房，H H
33、1 1愈大，愈大，有利于水位波动的衰减。有利于水位波动的衰减。v因此，调压室应尽量靠近厂房。因此，调压室应尽量靠近厂房。由此可见：引水道直径越大，长度越短，流速水头由此可见：引水道直径越大，长度越短，流速水头影响越显著。调压室底部的流速水头将对波动稳定影响越显著。调压室底部的流速水头将对波动稳定是有利的。但由于调压室底部水流状态紊乱，故不是有利的。但由于调压室底部水流状态紊乱，故不能考虑全部流速水头的作用。能考虑全部流速水头的作用。4 4、调压室底部流速水头的影响、调压室底部流速水头的影响对对引引水水道道而而言言，流流速速水水头头的的作作用用与与水水头头损损失失相相似似，相相当当于于加加大大了
34、了摩摩阻阻损损失失。但但对对水水轮轮机机来来说说并并不不减减小小水电站的有效水头。因此，托马公式应修改为：水电站的有效水头。因此，托马公式应修改为：5 5、水轮机效率的影响、水轮机效率的影响v前面假定水轮机的效率为常数，实际上水前面假定水轮机的效率为常数，实际上水轮机的效率随着电站水头和流量的变化而轮机的效率随着电站水头和流量的变化而变化。变化。v水轮机效率、调速器和电力系统等因素对水轮机效率、调速器和电力系统等因素对稳定断面的影响，一般只有在充分论证的稳定断面的影响，一般只有在充分论证的基础上才加以考虑。基础上才加以考虑。6 6、电力系统的影响、电力系统的影响v对于单独运行的水电站，当调压室
35、内水位变对于单独运行的水电站，当调压室内水位变化而引起出力变化时，只能依靠本电站水轮化而引起出力变化时，只能依靠本电站水轮机调速器的调节使出力保持常数。如果水电机调速器的调节使出力保持常数。如果水电站在系统中运行，则可由系统中各电站的机站在系统中运行，则可由系统中各电站的机组共同来保证系统出力不变，因此可减小本组共同来保证系统出力不变，因此可减小本电站流量变化的幅度，有利于波动稳定。电站流量变化的幅度，有利于波动稳定。v电站并网运行有利于波动稳定。电站并网运行有利于波动稳定。第六节第六节 调压室水力计算条件调压室水力计算条件调压室的水力计算内容应包括调压室的水力计算内容应包括：由调压室水位波动
36、的稳定条件，确定调压室由调压室水位波动的稳定条件，确定调压室的断面积；的断面积；计算调压室最高涌波水位，从而确定调压室计算调压室最高涌波水位，从而确定调压室的顶部高程；的顶部高程；计算调压室最低涌波水位，从而确定调压室计算调压室最低涌波水位，从而确定调压室底部和压力管道进口的高程。底部和压力管道进口的高程。由公式由公式 可以看出：可以看出：水头水头H H0 0v按水电站在正常运行中可能出现的最小水头按水电站在正常运行中可能出现的最小水头H Hminmin计算。上游的最低水位一般为死水位。计算。上游的最低水位一般为死水位。糙率糙率v引水道应选用可能的最小糙率引水道应选用可能的最小糙率(使使 值最
37、小值最小)，而压力管道则应选用可能的最大糙率。而压力管道则应选用可能的最大糙率。v波动稳定性的计算波动稳定性的计算 (1)(1)上游水库水位：取正常发电可能出现的上游水库水位：取正常发电可能出现的最高水位，一般按设计洪水位计算。最高水位，一般按设计洪水位计算。(2)(2)引水道的糙率：取可能的最小值。引水道的糙率：取可能的最小值。(3)(3)计算工况：一般按丢弃全负荷考虑。即计算工况：一般按丢弃全负荷考虑。即流量由流量由Q Qmaxmax减至空转流量减至空转流量Q Qxxxx(Q Q=0)=0)。v最高涌波水位的计算最高涌波水位的计算丢弃负荷：水位先下降至最低水位再上升。基本上避免了(或减小)
38、压力管道传来的水锤波进入压力引水道。式中Zmin/hw0为无因次系数，表示“引水道调压室”系统特性。调压室是指在较长的压力引水(尾水)道与压力管道之间修建的，用以降低压力管道的水锤压力和改善机组运行条件的水电站建筑物。1910年在德国汉堡水电站上曾发生过调压室波动的不稳定现象，托马首先进行了研究。随后又降到最低幅值Z2，Z2称为第二振幅。水位波动的衰减由两个调压室共同保证，增加一个调压室可以减小另一个调压室的断面。（3）调压室的工作必须是稳定的。调压室一般尺寸较大，投资较大，工期长，特别是对于低水头电站，调压室的造价可能占整个引水系统造价的相当大的比例。于建造常规调压室的情况下适用：低水头小流
39、量电站。电站并网运行有利于波动稳定。4、上游双调压室系统其几何形状多为圆筒或圆板。调压室的功用可归纳为：特点：外室直径较大，起盛水及保证稳定的作用，其断面积由波动稳定条件控制。上游水库水位：取可能的最低水位。上游水库水位：取可能的最低水位。引水道糙率：取可能的最大值。引水道糙率：取可能的最大值。计算工况：计算工况：n初设阶段，通常采用其余所有机组均满负荷运初设阶段，通常采用其余所有机组均满负荷运行，而最后一台机组投入运行的情况作为设计行，而最后一台机组投入运行的情况作为设计工况，但最后加入的容量应不小于电站总容量工况，但最后加入的容量应不小于电站总容量的的1/31/3。n对于一般的调压室，还应
40、计算在最低库水位下对于一般的调压室，还应计算在最低库水位下丢弃全负荷后水位波动的第二振幅。丢弃全负荷后水位波动的第二振幅。n在技术设计阶段，增荷的条件应根据设计电站在技术设计阶段，增荷的条件应根据设计电站在系统中的工况，经专门研究确定。在系统中的工况，经专门研究确定。v最低涌波水位的计算最低涌波水位的计算第七节第七节 尾水调压室的水力计算尾水调压室的水力计算当地下水电站有压尾水隧洞较长时，常在尾水管当地下水电站有压尾水隧洞较长时，常在尾水管和尾水隧洞之间设置尾水调压室。其目的主要是和尾水隧洞之间设置尾水调压室。其目的主要是为了减小尾水管内的水锤，限制水锤压力向尾水为了减小尾水管内的水锤，限制水
41、锤压力向尾水隧洞传播及改善机组运行条件。隧洞传播及改善机组运行条件。最关键的一点是最关键的一点是防止尾水进口产生过大的负水锤以致产生真空，防止尾水进口产生过大的负水锤以致产生真空，造成柱液分离，引起反水锤。造成柱液分离，引起反水锤。与上游调压室相反。与上游调压室相反。v 尾水调压室工作特点尾水调压室工作特点增加负荷：水位先上升达最高水位再下降。增加负荷：水位先上升达最高水位再下降。丢弃负荷：水位先下降至最低水位再上升。丢弃负荷：水位先下降至最低水位再上升。最低涌波水位按丢弃负荷计算，据此定尾水隧最低涌波水位按丢弃负荷计算，据此定尾水隧洞顶部高程；洞顶部高程；最高涌波水位按丢弃负荷第二振幅或增加
42、负荷最高涌波水位按丢弃负荷第二振幅或增加负荷决定，据此定调压室顶部高程。决定，据此定调压室顶部高程。v 尾水调压室水力计算尾水调压室水力计算尾尾水水调调压压室室水水力力计计算算的的方方法法与与上上游游调调压压室室相相同同。只只要要将将z z坐坐标标按按与与上上游游调调压压室室相相反反方方向向即即向向下下为为正，基本方程式与上游调压室完全一致。正，基本方程式与上游调压室完全一致。稳定断面仍按托马断面公式计算。稳定断面仍按托马断面公式计算。L LT T、f fT T、T T分别为尾水隧洞的长度、断面积和分别为尾水隧洞的长度、断面积和阻力系数。阻力系数。T T取可能的最小值。取可能的最小值。第八节第
43、八节 调压室结构布置和结构设计调压室结构布置和结构设计v调压室可分为调压室可分为井式井式和和塔式塔式两种典型结构。两种典型结构。v塔式结构要注重内水压力、风雪作用、地震作塔式结构要注重内水压力、风雪作用、地震作用、温度作用的影响。按水塔进行计算。用、温度作用的影响。按水塔进行计算。v井式结构主要分为大井井壁、底板、升管和顶井式结构主要分为大井井壁、底板、升管和顶板等。其几何形状多为圆筒或圆板。板等。其几何形状多为圆筒或圆板。v结构计算时，先单独分别计算各个部分的内力，结构计算时，先单独分别计算各个部分的内力，再考虑整体作用。再考虑整体作用。v调压室分类调压室分类主要荷载主要荷载：v内水压力：水
44、位由水力计算确定。内水压力：水位由水力计算确定。v外水压力：由调压井外地下水位确定。外水压力：由调压井外地下水位确定。v灌浆压力。灌浆压力。v岩石或回填土的主动土压力。围岩破碎时考虑。岩石或回填土的主动土压力。围岩破碎时考虑。v衬砌自重：一般影响很小，常忽略不计。衬砌自重：一般影响很小，常忽略不计。v温度应力：主要是运行期的温度应力。温度应力：主要是运行期的温度应力。v地震荷载：在地震列度超过地震荷载：在地震列度超过7 7度时考虑。度时考虑。v调压井结构的荷载及其组合调压井结构的荷载及其组合荷载组合荷载组合：v正常运行：最高内水压力正常运行：最高内水压力+温度及收缩应力温度及收缩应力+岩石弹性
45、抗力岩石弹性抗力v施工情况：灌浆压力岩石或回填土主动压施工情况：灌浆压力岩石或回填土主动压力温度及收缩应力力温度及收缩应力v检修情况：最高外水压力岩石或回填土主检修情况：最高外水压力岩石或回填土主动压力温度及收缩应力动压力温度及收缩应力v调压井的结构设计调压井的结构设计最好采用三维数值模拟，实际应用很难。最好采用三维数值模拟，实际应用很难。工程中常用方法是将调压井的衬砌分为井壁、工程中常用方法是将调压井的衬砌分为井壁、底板和其他等构件，分别进行分析。将各构底板和其他等构件，分别进行分析。将各构件看作是杆件、薄板或薄壳结构，采用结件看作是杆件、薄板或薄壳结构，采用结构力学及薄壁弹性力学方法计算其内构力学及薄壁弹性力学方法计算其内力，再进行抗裂和限裂验算。力，再进行抗裂和限裂验算。思 考 题1.1.调压室的作用是什么调压室的作用是什么?2.2.调压室有那几种基本结构类型，各适调压室有那几种基本结构类型，各适用于什么情况？用于什么情况？3.3.影响调压室水位波动稳定的因素有哪影响调压室水位波动稳定的因素有哪些？如何影响？些？如何影响？