第十章調(diào)壓室重點(diǎn)：調(diào)壓室的作用及設(shè)置條件、布置形式和基本結(jié)構(gòu)類型；調(diào)壓室水位波動(dòng)的解析方法，調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定問(wèn)題和調(diào)壓室的水力計(jì)算條件。第一節(jié)調(diào)壓室的功用、要求及設(shè)置條件BlakelyMountainDam、調(diào)壓室的功用在較長(zhǎng)的壓力引水系統(tǒng)中，為了降低高壓管道的水擊壓力，滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求，常在壓力引水道與壓力管道銜接處建造調(diào)壓室。調(diào)壓室將有壓引水系統(tǒng)分成兩段：上游段為壓力引水道，下游段為壓力管道。調(diào)壓室的功用可歸納為以下三點(diǎn)：反射水擊波?；旧媳苊饬?或減小)壓力管道傳來(lái)的水擊波進(jìn)入壓力引水道。減小水擊壓力(壓力管道及廠房過(guò)水部分)。縮短了壓力管道的長(zhǎng)度改善機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件。二、調(diào)壓室的基本要求根據(jù)其功用，調(diào)壓室應(yīng)滿足以下基本要求：調(diào)壓室盡量靠近廠房，以縮短壓力管道的長(zhǎng)度。調(diào)壓室應(yīng)有自由水表面和足夠的底面積，以保證水擊波的充分反射；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)到新的穩(wěn)定狀態(tài)；正常運(yùn)行時(shí)，水流經(jīng)過(guò)調(diào)壓室底部造成的水頭損失要小。為此調(diào)壓室底部和壓力管道連接處應(yīng)具有較小的斷面積。結(jié)構(gòu)安全可靠，施工簡(jiǎn)單方便，造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。三、調(diào)壓室的設(shè)置條件調(diào)壓室是改善有壓引水系統(tǒng)、水電站運(yùn)行條件的一種可靠措施。但調(diào)壓室一般尺寸較大，投資較大，工期長(zhǎng)，特別是對(duì)于低水頭電站，調(diào)壓室的造價(jià)可能占整個(gè)引水系統(tǒng)造價(jià)的相當(dāng)大的比例。因此是否設(shè)置調(diào)壓室，應(yīng)在機(jī)組過(guò)流系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證計(jì)算和機(jī)組運(yùn)行條件分析的基礎(chǔ)上，考慮水電站在電力系統(tǒng)中的作用、地形及地質(zhì)條件、壓力管道的布置等因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后加以確定。上游調(diào)壓室的設(shè)置條件初步分析時(shí)，可用水流加速時(shí)間(也可稱為壓力引水道的時(shí)間常數(shù))Tw來(lái)判斷，設(shè)置上游調(diào)壓室的條件：Tw的物理意義：在水頭為作用下，不計(jì)水頭損失時(shí)，管道內(nèi)水流速度從0增大到V所需的時(shí)間。顯然，Tw越大，水擊壓力的相對(duì)值也越大，對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)過(guò)程的影響也越大。[Tw]——Tw的允許值，一般取2?4s。[Tw]的取值與電站出力在電力系統(tǒng)中占的比重有關(guān)。我國(guó)的調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：當(dāng)水電站單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，或機(jī)組在電力系統(tǒng)中所占的比例超過(guò)50%時(shí)，取小值(2s)；⑵當(dāng)比重小于10%~20%時(shí)，可取大值。下游調(diào)壓室的設(shè)置條件尾水調(diào)壓室的功用是縮短尾水道的長(zhǎng)度，減小甩負(fù)荷時(shí)尾水管中的真空度，防止水柱分離。下游調(diào)壓室的設(shè)置條件是以尾水管內(nèi)不產(chǎn)生液柱分離為前提，判別條件為：

L>^~s（8—^~一二-H）"'v9002gsw0式中：Lw一壓力尾水道的長(zhǎng)度，m；匕。一穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)尾水管的流速，m/s；匕一一尾水管入口處的流速，m/s；▽一一機(jī)組安裝高程，m。最終通過(guò)調(diào)節(jié)保證計(jì)算，當(dāng)機(jī)組丟棄全部負(fù)荷時(shí)，尾水管內(nèi)的最大真空度不宜大于8m水柱。但在高海拔地區(qū)應(yīng)作高程修正。第二節(jié)調(diào)壓室的工作原理及基本方程一、調(diào)壓室的工作原理調(diào)壓室具有較大的容積和自由水面，它將電站因負(fù)荷變化而引起的有壓系統(tǒng)非恒定流現(xiàn)象分為性質(zhì)不同而又互相聯(lián)系的兩部分：一是壓力管道的水擊現(xiàn)象，另一個(gè)是“水庫(kù)一引水道一調(diào)壓室”的水流波動(dòng)現(xiàn)象。引水道一調(diào)壓室系統(tǒng)中的水位波動(dòng)現(xiàn)象與壓力管道中產(chǎn)生的水擊波動(dòng)性質(zhì)有很大的差別。調(diào)壓室的水位波動(dòng)主要是由于水體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起，其特點(diǎn)是振幅小、變化慢、周期長(zhǎng)。而管道水擊過(guò)程是水擊波的傳播，振幅大、變化快，往往在很短時(shí)間內(nèi)即消失，而前者往往長(zhǎng)達(dá)幾十秒到幾百秒甚至更長(zhǎng)。二、調(diào)壓室水位波動(dòng)的基本方程1.連續(xù)方程水輪機(jī)在任何時(shí)刻所需的流量Q由兩部分組成：引水道流來(lái)的流量和調(diào)壓室供給的流量。Q=fVQ=fV+FdZdt2.運(yùn)動(dòng)方程LdVz=、=d式中L一為引水道的長(zhǎng)度；勾—為引水道通過(guò)流量Q時(shí)的水頭損失。等出力方程由于調(diào)壓室中水位波動(dòng)引起水輪機(jī)水頭和出力的變化，而機(jī)組的負(fù)荷未變，因此水輪機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)必須隨著水頭的變化改變其引用流量，以適應(yīng)負(fù)荷不變的要求。當(dāng)水輪機(jī)的水頭和流量變化不大時(shí)，可以認(rèn)為機(jī)組的效率保持不變。Q03。-、0-七。)=S°+q而0-h「hwm)引水管道、壓力管道通過(guò)流量為Q0時(shí)的水頭損失；第三節(jié)調(diào)壓室的布置方式和類型一、基本布置方式根據(jù)調(diào)壓室與廠房相對(duì)位置不同，調(diào)壓室的布置有四種基本方式：上游調(diào)壓室(引水調(diào)壓室)調(diào)壓室位于廠房上游的引水道上。適用：廠房上游有壓引水道較長(zhǎng)，應(yīng)用最廣泛。下游調(diào)壓室(尾水調(diào)壓室)調(diào)壓室位于廠房下游的尾水洞上。適用：尾水隧洞較長(zhǎng)，需設(shè)置尾水調(diào)壓室以減小水擊壓力，特別是防止在丟棄負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的負(fù)水擊，尾水調(diào)壓室應(yīng)盡可能靠近水輪機(jī)。尾水調(diào)壓室水位變化過(guò)程與上游調(diào)壓室相似，但變化方向相反。上下游雙調(diào)壓室系統(tǒng)當(dāng)采用中部地下廠房時(shí)，上下游都有較長(zhǎng)的壓力水道，為減小水擊壓力，改善機(jī)組運(yùn)行條件，在廠房的上下游均設(shè)置調(diào)壓室而成為雙調(diào)壓室系統(tǒng)。(4)上游雙調(diào)壓室系統(tǒng)當(dāng)上游引水道較長(zhǎng)，也有設(shè)置兩個(gè)調(diào)壓室?？拷鼜S房的調(diào)壓室對(duì)于反射水擊波起主導(dǎo)作用，稱為主調(diào)壓室；靠近上游的調(diào)壓室用來(lái)幫助衰減引水系統(tǒng)的波動(dòng)，降低主調(diào)壓室的高度，稱為輔助調(diào)壓室。引水系統(tǒng)水位波動(dòng)的衰減由兩個(gè)調(diào)壓室共同保證，增加一個(gè)調(diào)壓室斷面可以減小另一個(gè)調(diào)壓室的斷面，但兩個(gè)調(diào)壓室的斷面之和總是大于只設(shè)一個(gè)調(diào)壓室的斷面積。

二、調(diào)壓室的基本類型調(diào)壓室的結(jié)構(gòu)類型簡(jiǎn)單圓筒式調(diào)壓室特點(diǎn)：斷面尺寸形狀不變，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反射水擊波效果好。但水位波動(dòng)振幅較大，衰減較慢，因而調(diào)壓室的容積較大；在正常運(yùn)行時(shí)，引水系統(tǒng)與調(diào)壓室連接處水力損失較大。為了克服上述缺點(diǎn)，可采用有連接管的圓筒式調(diào)壓室。適用：低水頭小流量的水電站。阻抗式調(diào)壓室將圓筒式調(diào)壓室的底部，用較小斷面的短管或用較小孔口的隔板與隧洞及壓力管道連接起來(lái)，這種孔口或隔板相當(dāng)于局部阻力，即為阻抗式調(diào)壓室。特點(diǎn)：進(jìn)出調(diào)壓室的水流在阻抗孔口處消耗了一部分能量，可以有效地減小水位波動(dòng)的振幅，加快了衰減速度，因而所需調(diào)壓室的體積小于圓筒式。正常運(yùn)行時(shí)水頭損失小。由于阻抗的存在，水擊波不能完全反射，壓力引水道中可能受到水擊的影響。雙室式調(diào)壓室特點(diǎn)：雙室式調(diào)壓室是由一個(gè)豎井和上下兩個(gè)儲(chǔ)水室組成。上室供丟棄負(fù)荷時(shí)儲(chǔ)水用，一般在最高凈水位以上，在正常運(yùn)行時(shí)是空的。下室在正常運(yùn)行時(shí)充滿水，供增加負(fù)荷時(shí)補(bǔ)給水量用，應(yīng)在調(diào)壓室中最低靜水位以下。豎井是用來(lái)連接上下室和引水道與壓力管道的。剛丟棄負(fù)荷時(shí)，由于豎井?dāng)嗝孑^小，水位迅速上升，當(dāng)水位達(dá)到上室時(shí)，其上升的速度放慢，從而減小波動(dòng)振幅。當(dāng)增加負(fù)荷時(shí)，水位迅速下降到下室中，并由下室補(bǔ)充不足的水量，因此限制了水位的下降。適用：水頭較高，要求的穩(wěn)定斷面較小，水庫(kù)水位變化比較大的水電站。上室的底部高程由水庫(kù)最高水位控制，下室的頂部高程由水庫(kù)的死水位控制。溢流式調(diào)壓室溢流式調(diào)壓室頂部設(shè)有溢流堰。當(dāng)丟棄負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓室的水位迅速上升，達(dá)到溢流堰頂后開(kāi)始溢流，限制了水位的進(jìn)一步升高，有利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，溢出的水量，可以設(shè)上室加以儲(chǔ)存，也可排至下游。差動(dòng)式調(diào)壓室由兩個(gè)直徑不同的同心圓筒組成，中間的圓筒直徑較小，上有溢流口，稱為升管，其底部以阻力孔口與外室相通。特點(diǎn)：外室直徑較大，起盛水及保證穩(wěn)定的作用，其斷面由波動(dòng)穩(wěn)定條件控制。差動(dòng)式調(diào)壓室所需容積較小，水位波動(dòng)衰減得也較快。但其構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，造價(jià)高。適用：地形和地質(zhì)條件不允許大斷面的中高水頭水電站，在我國(guó)采用較多。氣墊式或半氣墊式調(diào)壓室在壓力隧洞上靠近廠房的位置建造一個(gè)大洞室，室中一部分充水，另一部分充滿高壓空氣。利用調(diào)壓室中的空氣壓縮或膨脹，來(lái)減小水位漲落的幅度。適用：深埋于地下的引水道式地下水電站。目前我國(guó)尚未采用。圓筒式調(diào)壓室阻抗式調(diào)壓室雙室式溢流式

第四節(jié)調(diào)壓室水位波動(dòng)計(jì)算的解析法調(diào)壓室水位波動(dòng)計(jì)算的目的：求出最高水位和最低水位及水位變化過(guò)程，從而確定調(diào)壓室的頂部和底部高程及壓力管道的進(jìn)口高程。解析法較簡(jiǎn)單，可直接求出最高和最低水位，但公式推導(dǎo)過(guò)程中引入了各種假定，故精度較差，不能求出水位波動(dòng)的全過(guò)程，在初步擬定調(diào)壓尺寸時(shí)采用。解析法較簡(jiǎn)單，可直接求出最高和最低水位，但公式推導(dǎo)過(guò)程中引入了各種假定，故精度較差，不能求出水位波動(dòng)的全過(guò)程，在初步擬定調(diào)壓尺寸時(shí)采用。一、丟棄全負(fù)荷情）兄1.最高水位計(jì)算（ZJ（1）阻抗式調(diào)壓室（阻抗系數(shù)為〃）ln[1+(1+門)x]—(1+門)x=ln[1—(1+門川x]—(1+門)x(2)圓筒式調(diào)壓室s=0)x=—ln(1+x)+xx=婦式中x=婦式中Sx的符號(hào)在靜水位以上為負(fù)，在靜水位以下為正。mLfV2

02gFhw0用以表示“引水道-調(diào)壓室”系統(tǒng)的特性系數(shù)。2.丟棄全負(fù)荷后波動(dòng)第二振幅計(jì)算（Z）2丟棄負(fù)荷后，調(diào)壓室中水位先是升高到最高水位氣^。隨后又降到最低幅值Z2,Z2稱為第二振幅。lnh—（1+門）x]+（1+門）x=lnh—（1+門）x]+（1+門）xmm22對(duì)于圓筒式調(diào)壓室，n=0時(shí)：ln（1—x）=ln（1—x）+x

一馬式中：2S,Z2=SX2。二、增加負(fù)荷時(shí)的最低涌波水位當(dāng)上游為最低水位時(shí)，由部分負(fù)荷增加至最大負(fù)荷時(shí)所產(chǎn)生的水位波動(dòng)的最大降低值，由波動(dòng)微分方程不能進(jìn)行直接積分，只能在某些假定下求近似解。設(shè)水電站的流量由mQQ增加到Q0(m<1，稱為負(fù)荷系數(shù))，圓筒式調(diào)壓室：按照Vogt(福格特)公式計(jì)算Zm.n:—^tn=1+(X￡-0.275v'm+0.05/￡-0.9)(1-m)(1-m/￡0-62)hw0LfV22S式中g(shù)FhW0hw0為無(wú)因次系數(shù)，表示“引水道一調(diào)壓室”系統(tǒng)特性。Zmin~阻抗式調(diào)壓室：用查圖表的方法求解，根據(jù)8和m值由圖查得hw0，m=0相當(dāng)于增加全負(fù)荷情況。注：(1)所求得的Z2和zmin，取其大值(絕對(duì)值)作為調(diào)壓室的最低涌波水位；(2)調(diào)壓室水位波動(dòng)解析法是根據(jù)水流的連續(xù)方程和動(dòng)力方程及特定的邊界條件所求得的特解和近似解，不適用于所有型式的調(diào)壓室和所有工況，只適用壬圓筒式和厘抗式調(diào)壓室丟棄全部負(fù)荷情況。第五節(jié)調(diào)壓室水位波動(dòng)的差分法計(jì)算差分法是建立在逐步積分的基礎(chǔ)上的，其計(jì)算結(jié)果較精確，可以求出整個(gè)波動(dòng)過(guò)程，是在已經(jīng)擬定調(diào)壓室尺寸的基礎(chǔ)上進(jìn)行的計(jì)算，一般用于最后設(shè)計(jì)階段。適用于各種類型的調(diào)壓室，是設(shè)計(jì)中常用的方法。本節(jié)主要以圓筒式調(diào)壓室為例說(shuō)明差分法的原理?！⒒驹鞟ZdVAZAV和dtAZdVAZAV和dt用有限差的比值A(chǔ)t和At代替，則連續(xù)方程和動(dòng)力方將基本方程中導(dǎo)數(shù)dtAZAZfV+F一Q=At；"g△tQfVg、、AZ=—AtAtAV=(Z一h)—AtQfg令*=f'"口=f'"3=L''，代入上面二式得：

AV=p(Z-h^)(2)LV2h=水頭損失wC項(xiàng)+zAV=p(Z-h^)(2)LV2h=水頭損失wC項(xiàng)計(jì)算時(shí)段△匕選定后，A，a，6均為已知數(shù)?！鞯倪x擇關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的精度。通常ITt2兀-LF取*=25~30，T為水位波動(dòng)的理論周期，可近似取為：°''酊。二、差分計(jì)算的基本假定由于△「很小，所以假定在&的過(guò)程中，調(diào)壓室水位Z和引水道流速V保持不變，而在時(shí)段末發(fā)生突變，即Z和V為階梯式變化。在一個(gè)時(shí)段△「內(nèi)，規(guī)定流速V和水位Z采用起始瞬時(shí)的數(shù)值計(jì)算。三、計(jì)算步驟確定計(jì)算情況，選擇△，求出A、a、6，以引水道的V0代入公式(1)，可求出第一時(shí)段末的調(diào)壓室水位變量△%；以△%=Zi-hw0代入(2)，求出第一時(shí)段引水道的流速變量△V］，令V1=V0-^V1代入(1)，可可求出第二時(shí)段末的調(diào)壓室水位變量?jī)?，再?2)求出第二時(shí)段引水道的流速變量^匕。以此類推下去，可求出調(diào)壓室整個(gè)波動(dòng)過(guò)程。上述步驟可通過(guò)計(jì)算程序由計(jì)算機(jī)完成，也可圖解進(jìn)行。第六節(jié)調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定問(wèn)題調(diào)壓室在任何工作情況下都應(yīng)保證水位波動(dòng)是逐漸衰減的，即稱為穩(wěn)定的。水電站在正常運(yùn)行中除有大的負(fù)荷變化外，也經(jīng)常不斷地發(fā)生較小的負(fù)荷變化，從而使調(diào)壓室內(nèi)水位產(chǎn)生很小的水位波動(dòng)。由于調(diào)壓室斷面面積和引水道長(zhǎng)度等因素的不同，這種波動(dòng)可能出現(xiàn)二種情況：一種是波動(dòng)發(fā)生后周期性或非周期性地衰減下去，調(diào)壓室內(nèi)隨之達(dá)到新的穩(wěn)定水位而不再波動(dòng)。另一種是在發(fā)生小波動(dòng)后，振幅不是衰減而是逐漸增大，引起機(jī)組工作的不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象稱為調(diào)壓室工作情況的不穩(wěn)定現(xiàn)象，設(shè)計(jì)調(diào)壓室時(shí)應(yīng)避免這種情況。因此必須研究調(diào)壓室水位波動(dòng)的穩(wěn)定條件及改善波動(dòng)穩(wěn)定途徑。小波動(dòng)穩(wěn)定斷面的計(jì)算公式調(diào)壓室在運(yùn)行過(guò)程中，可將水位波動(dòng)分為兩種類型：大波動(dòng)，即電站發(fā)生大幅度的負(fù)荷變化，調(diào)壓室中將發(fā)生較大的水位波動(dòng)；另一種是小波動(dòng)，即電站微小的負(fù)荷變化所造成的水位小幅度波動(dòng)。1910年在德國(guó)漢堡水電站上曾發(fā)生過(guò)調(diào)壓室波動(dòng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，托馬首先進(jìn)行了研究?；炯俣ǎ翰▌?dòng)為無(wú)限小，以使微分方程線性化，從而容易得出解析解答；調(diào)速器能絕對(duì)保證水輪機(jī)的出力為一常數(shù)；電站單獨(dú)運(yùn)行，機(jī)組效率保持不變；調(diào)壓室與引水道直接連接，因而可不考慮調(diào)壓室底部流速水頭的影響。據(jù)此托馬教授通過(guò)理論推導(dǎo)提出了保證微小波動(dòng)振幅逐漸衰減的穩(wěn)定條件：(1)保證波動(dòng)穩(wěn)定衰減的一個(gè)必要條件是調(diào)壓室斷面F大于臨界斷面FLfF>F=k2ga(H-h-3h)Fk——表示調(diào)壓室波動(dòng)穩(wěn)定的臨界面積，通常稱托馬穩(wěn)定斷面;La=+￡&c叩，￡為引水道水頭損失系數(shù)。注：水電站水頭愈低，要求的調(diào)壓室斷面積愈大。(2)引水道和壓力管道水頭損失之和必須小于水電站靜水頭的1/3,即實(shí)際工程中，水頭損失占總水頭的比重是很小的，這一條件通常均能滿足。二、波動(dòng)穩(wěn)定條件分析托馬穩(wěn)定條件是在一些假定的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的，應(yīng)用時(shí)必須根據(jù)水電站的情況作某些修正。(一)大波動(dòng)的穩(wěn)定條件如果調(diào)壓室水位的波動(dòng)幅值較大，則波動(dòng)微分方程式不能認(rèn)為是線性的了，因此托馬條件不能直接應(yīng)用于大波動(dòng)。研究表明，如小波動(dòng)穩(wěn)定不能保證，大波動(dòng)必然不能衰減。為了保證大波動(dòng)的穩(wěn)定，一般要求調(diào)壓室斷面大于托馬斷面，初步分析時(shí)可取(1.0?1.1)Fk，作為調(diào)壓室的設(shè)計(jì)斷面。設(shè)計(jì)時(shí)只有最后階段才檢驗(yàn)調(diào)壓室的大波動(dòng)的穩(wěn)定性。（二）調(diào)壓室底部流速水頭的影響對(duì)引水道而言，流速水頭的作用與水頭損失相似，它相當(dāng)于加大了摩阻損失。但對(duì)水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，并不減小水電站的有效水頭。引水道的直徑越大，長(zhǎng)度越短，流速水頭的影響也越顯著。調(diào)壓室底部的流速水頭將對(duì)波動(dòng)穩(wěn)定是有利的（三）水輪機(jī)效率的影響在前面假定水輪機(jī)的效率為常數(shù)，實(shí)際上水輪機(jī)的效率是隨著水頭和流量的變化而變化的。水輪機(jī)效率、調(diào)速器和電力系統(tǒng)等因素對(duì)穩(wěn)定斷面的影響，一般只有在充分論證的基礎(chǔ)上才加以考慮。（四）電力系統(tǒng)的影響對(duì)于單獨(dú)運(yùn)行的水電站，當(dāng)調(diào)壓室內(nèi)水位變化而引起出力變化時(shí)，