调压室研究

第十五章调压室

第二节调压室的工作原理和基本方程

一、调压室的工作原理

水电站在运行时负荷会经常发生变化。负荷变化时，机组就需要

相应地改变引用流量，从而在引水系统中引起非恒定流现象。压力

管道中的非恒定流现象（即水锤现象）在上一章中已经加以讨论。

引用流量的变化，在“引水道-调压室”系统中亦将引起非恒定流现象，

这正是本节要加以讨论的。

图13-5为一具有调压室的引水系统。当水电站以某一固定出力运行时，水轮机引用的流量亦保持不变，因此通过整个引水系统的流量均为，调压室的稳定水位比上游水位低，为通过引水道时所造成的水头损失。

当电站丢弃全负荷时，水轮机的流量由变为零，压力管道中发生水锤现象，压力管道的水流经过一个短暂的时间后就停止流动。此时，引水道中的水流由于惯性作用仍继续，流向调压室，引起调压室水位升高，使引水道始末两端的水位差随之减小，因而其中的流速也逐渐减慢。当调压室的水位达到水库水位时，引水道始末两端的水位差等于零，但其中水流由于惯性作用仍继续流向调压室，使调压室水位继续升高直至引水道中的流速等于零为止，此时调压室水位达到最高点。因为这时调压室的水位高于水库水位，在引水道的始末又形成了新的水位差，所以水又向水库流去，即形成了相

反方向的流动，调压室中水位开始下降。当调压室中水位达到库水位时，引水道始末两端的压力差又等于零，但这时流速不等于零，由于惯性作用，水位继续下降，直至引水道流速减到零为止，此时调压室水位降低到最低点。此后引水道中的水流又开始流向调压室，调压室水位又开始回升。这样，引水道和调压室中的水体往复波动。由于摩阻的存在，运动水体的能量被逐渐消耗，因此，波动逐渐衰减，最后全部能量被消耗掉，调压室水位稳定在水库水位。调压室水位波动过程见图13-5中右上方的一条水位变化过程线。

当水电站增加负荷时，水轮机引用流量加大，引水道中的水流由于惯性作用，尚不能立即满足负荷变化的需要，调压室需首先放出一部分水量，从而引起调压室水位下降，这样室库间形成新的水位差，使引水道的水流加速流向调压室。当调压室中水位达到最低点时，引水道的流量等于水轮机的流量，但因室库间水位差较大，隧洞流量继续增加，并超过水轮机的需要，因而调压室水位又开始回升，达最高点后又开始下降，这样就形成了调压室水位的上下波动，由于能量的消耗，波动逐渐衰减，最后稳定在一个新的水位，此水位与库水位之差为引水道通过水轮机引用流量的水头损失。水位变化过程见图13-5中右下方的一条水位变化过程线。

从以上的讨论可知，“引水道一调压室”系统非恒定流的特点是大量水体的往复运动，其周期较长，伴随着水体运动有不大的和较为缓慢的压力变化。这些特点与水锤不同。在一般情祝下，当调压室水位达到最高或最低点之前，水锤压力早已大大衰减甚至消失，两

者的最大值不会同时出现，因此在初步估算时可将两者分开计算，取其大者。但在有些情况下，如调压室底部的压力变化较快（如阻抗式或差动式调压室）或水轮机的调节时间较长（如设有减压阀或折流板等），这时水锤压力虽小，但延续时间长，则需进行调压室波动和水锤的联合计算，或将两者的过程线分别求出，按时间叠加，求出各点的最大压力。

在增加负荷或丢弃部分负荷后，电站继续运行，调压室水位的变化影响发电水头的大小，调速器为了维持恒定的出力，随调压室水位的升高和降低，将相应地减小和增大水轮机流量，这进一步激发调压室水位的变化，因此调压室的水位波动，可能有两种情况：一种是逐步衰减的，波动的振幅随时间而减小；另一种是波动的振幅不衰减甚至随时间而增大，成为不稳定的波动，产生这种现象的调压室其工作是不稳定的，在设计调压室时应予避免。

因此，研究调压室水位波动的目的主要是：

(1)求出调压室中可能出现的最高和最低涌波水位及其变化过程，从而决定调压室的高度和引水道的设计内水压力及布置高程。

(2）根据波动稳定的要求，确定调压室所需的最小断面积。

二、调压室的基本方程

图15-1为一具有调压室的有压引水系统示意图。当水轮机引用流量Q固定不变时，隧洞中的水流为恒定流，通过隧洞的流量即为水轮机引用流量，此时隧洞中的流速V和调压室中的水位Z均为固

定的常数。

图15-1 有压引水系统示意图

当水轮机引用流量Q发生变化时，调压室中水位及隧洞中流速均将发生变化，引水道

中的流速V和调压室的水位Z均为时间t的函数。

根据水流连续性定律，水轮机在任何时刻所需要的流量Q系由两部分组成：来自引水道的流量fV和调压室流出的流量FdZ/dt，此处F为调压室的断面积，dZ/dt为调压室水位下降速度。由此得水流的连续性方程

式中Z以水库水位为基准，向下为正。

在引水道内为非恒定流的情况下，如果不考虑引水道和水的弹性变形及调压室中的水体惯性，设为引水道中通过流量Q时的水头损失，Z为调压室中瞬时水位与静水位的差值，根据牛顿第二定律，引水道中水体质量与其加速度的乘积等于该水体所受的力，即

由此得出水流的动力方程

调压室的微小水位波动将引起水轮机水头的变化，从而引起水轮机出力的变化，而机组的负荷不变，因此调速器必须随着水头的变化相应地改变水轮机的流量，以适应负荷不变的要求。如调压室水位发生一微小变化x，调速器使水轮机的流量相应地改变一微小数值q,此时压力管道的水头损失为，由此得等式

当水轮机的水头和流量变化不大时，可近似地假定效率保持不变，即。

由此得等出力方程

式中-压力管道通过流量时的水头损失值；

-引水道通过流量时的水头损失值。

式（15-3)、式(15-4)和式(15-5)是进行调压室水力计算的基本方程式。