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调压井水位波动影响论文摘要摘要：本文目的在于回答调压井连接管较长时其内水体惯性对调压井水位波动和水锤压力有何影响有多大影响设计中能不能忽略。文中首先通过理论和解析方法探究了连接管影响的性质和规律；然后针对典型的水库——调压井——阀门引水系统用特征线法计算具体分析了不同连接管长度下调压井水位波动幅值、阀门端水锤压力上升率、水锤穿井率的变化规律；最后以某抽水蓄能电站为实例进行了对比计算。探究表明连接管增长使调压井水位波动幅值减小但幅度有限通常可忽略；连接管使水锤压力和穿井率增大在实际工程可能的范围内其增幅有时较大应加以考虑。摘要：调压井水锤压力水位波动连接管近年来高水头引水式水电站和抽水蓄能电站的设计中经常碰到调压井连接管较长的情况。例如设计中的某抽水蓄能电站(见本文实例)上游调压井连接管长度约120m和引水隧洞和高压管道的长度比分别为8%和11%；下游调压井连接管长度约60m和尾水管和尾水隧洞长度的比值分别为35%和4%。以往计算调压井水位大波动和水锤压力时无论解析法还是数值法通常不计连接管的影响因为在连接管较短时其内水体惯性影响很小可以忽略。但连接管较长情况下过渡过程中连接管内动量(惯性)相对于引水(尾水)隧洞和压力管道(尾水管)内的动量(惯性)所占比重较大再不考虑其影响显然不行。但究竟连接管内水体惯性对调压井水位被动和水锤压力有什么影响?有多大影响?在什么情况下应加以考虑?以往无人进行过认真分析。本文将是通过理论分析和数值计算来探索这个新问题目的在于为以后的设计、计算和分析提供依据和参考。1理论和解析分析1.1连接管对调压井水位波动的影响水电站机组动作(甩负荷或增负荷)所产生的调压井水位波动是由引水隧洞中水体的惯性所导致反映的是引水洞——调压井系统中水体的动能、势能和惯性能的交替转换并在阻力功能下逐渐衰减的过程。波动水位的大小和波动发生前该系统中水体的动量直接相关。连接管的长短并不影响该系统中动量的大小因为在水位波动发生前连接管内水体静止动量为零；但连接管的存在使波动水体增加也使水流波动的路径增长。从物理概念上看引水洞中水体进出调压井时须克服连接管内水体的惯性阻力因而计及连接管后的波动振幅要比没有联结管情况小；另外由于水流波动路径增长波动的周期也相应比无连接管情况长。这两点可由以下的推导证实。设连接管面积f3等于引水洞面积f连接管长度L3和引水洞长度L之比为χ=L3/L则考虑连接管的水流波动路径长是L%26acute;=(1+χ)L。根据引水洞——调压井系统动量守恒若忽略弹性波动开始时引水洞和连接管将具有相同的流速ν%26acute;0=Lν0/L%26acute;=ν0/(1+χ)。对于阻抗式调压井在机组忽然甩负荷工况若假定机组流量瞬间由Q0降为0在忽略各项水头损失的情况下根据文献[6中的推导得到波动的振幅是以上两式中F是调压井的面积；g是重力加速度；符号中加撇的量是指考虑了连接管的影响。式(1)和(2)简单地说明了连接管水体惯性的影响它使波动振幅减小周期增长。对于考虑引水洞水头损失和调压井阻抗损失的情况虽然得不出以上显式关系但图2中根据解析式得到的曲线仍然说明同样的规律。虽然连接管水体的惯性对调压井水位波动起阻尼功能现象上和调压井阻抗的功能相似但它们的物理本质不同。连接管水体的阻尼功能靠的是惯性力它和水流的加速度成正比在流量变化曲线上斜率大(流速的导数大)处其功能大其余部位功能小。而调压井阻抗的阻力靠的是水力损失和流速的平方成正比流量大时它发挥的功能大。1.2连接管对水锤压力的影响针对图1所示的“水库——调压井——阀门”系统进行分析。由于增加了连接管调压井底部B点变为三岔管从而该点的反射和透射特性发生变化。当阀门关闭时C点产生的升压波W2传到B点在三岔管处产生反射降压波w2反向朝C点传去；和此同时透射到引水洞的升压波W向水库点A传去并被反射回来成为降压波w；透射到连接管的升压波W3向连接管末端D点传去并被反射回来成为降压波w3；反射回的降压波w和w3到达B点后又分别透射成w%26acute;和w%26acute;3也朝C点传去。根据岔管反射系数公式[6有在反射降压波w2到达C点时刻(即一相时刻Tr=2L2/a2)降压波w%26acute;和w%26acute;3还未到达所以在一相以前考虑和不考虑连接管的C点压力变化是一样的；而在w2到达C点之后由于考虑连接管后的降压波w2数值要比不考虑时小很多而且w%26acute;和w%26acute;3一般不会同期到达因而总的降压波小所以在一相以后计入连接管的水锤压力要比不计连接管的大。换句话说若最大水锤压力发生在一相时刻则考虑和不考虑连接管最大