水利工程论文-三峡水电站进水口试验研究.doc

水利工程论文-三峡水电站进水口试验研究摘要：三峡水利枢纽分设左右两座厂房，单机容量700MW，正常蓄水位175.00m。在厂房进水口研究上，长科院和清华大学都进行了各种水工模型试验，研究了边壁压强分布、水头损失和进口流态。双孔方案在水头损失、机组运行稳定性等方面较单孔有利。无论单或双孔，经优化后，水头损失都减少了约15cm，年发电量约增加1.5万kWh，具有巨大的经济效益。关键词：三峡水电站进水口形式水工模型试验单孔方案双孔方案1概述三峡水利枢纽分设左、右岸两座厂房，共装26台水轮发电机组。其中左岸厂房14台，右岸厂房12台，并在右岸山体内预留后期扩机的6台地下厂房位置。电站厂房为坝后式，每台机组段长38.3m，单机容量为700MW，总装机容量18200MW，年平均发电量846.8亿kWh。按初步设计：电站引水压力钢管为一机一管小喇叭单孔进水口；为坝下游坡浅槽背管布置；内径为12.4m；设计单机引用流量为996.4m3/s，平均流速达8.0m/s。三峡电站校核洪水位为180.40m，正常蓄水位(设计洪水位)为175.00m，防洪限制水位145.00m；初期正常蓄水位为156.00m，初期防洪限制水位为135.00m。电站的主要参数见表1。长科院1994年前对水平l进口、水平2进口、小斜1小进口、小斜2大进口等四个方案进行了比尺1：52.4的模型试验。试验研究了边壁压强分布、水头损失和进口流态。表1水电站主要参数项目单位初期后期装机容量MW1820018200保证出力MW36004990单机容量MW700700机组台数台2626多年平均发电量亿kWh705.27846.8装机利用小时h39604650电站保证率%9795最大水头m94113加权平均水头m77.190额定水头m80.680.6最小水头m61*71相应平均水头的预想出力MW18200*围堰发电时，最小水头为56m。厂房专家组第一、二、三次会议，对水电站布置及设计主要原则进行了审议，建议通过水工模型试验，进一步论证带中墩的双孔进水口方案的可行性和合理性。当时认为双孔进水口具有如下优点：闸门孔口过水面积增加，平均流速减少，有可能减少水头损失；进口前沿宽度扩大，过栏污栅水流流速分布均匀，减小了阻塞的可能性；减少闸门尺寸和启闭机容量，使运行方便可靠。国外已建的特大型水电站，进水口单、双孔形式均有。考虑到三峡水电站的重要性和发电效益，应进行两种方案的研究，选择最佳方案，以保证各种工况下均能安全、稳定、高效地运行。为此，三峡总公司技委会分别委托长科院和清华大学进行了单、双孔进水口两种方案的大比尺模型试验的对比研究，并根据试验结果逐步对各方案进水口的体型进行优化。双孔方案各研究了三种体型，共6个模型，即单、单、单和双、双、双。2模型设计2.1模型比尺选择由专家组确定模型的长度比尺11:30，相应即可求得其它正态模型的比尺。2.2试验设备为了便于单、双孔比较，两个方案并列布置，各优化方案模型则由其前一模型改装而成。模型试验场地宽6m，长16m，布置在室内。试验室供水能力为300L/s模型需水量为196L/S模型模拟了一个机组段且进水口前为对称进水。水库用水泥砂桨抹面的砖砌水槽模拟，槽长4m，宽1.5m，深3.7m。进入水槽的水流经过两道水栅。水槽首部均有单独的供、排、稳水系统，以保证进水口前的行进水流平稳对称。模型自拦污栅墩首至蜗壳进口均用有机玻璃制作。为了便于进行流态观察，将整个进水口做在水槽外，即进口前至拦污栅的两侧壁也用有机玻璃制作。有机玻璃的糙率nm0.0070.008，可满足相似要求。拦污栅用厚0.5mm的铁皮制作，模型尾部模拟到机组的蜗壳进口。在模型中，外加长1.31m的直段，并通过长0.3m的锥管与30.5cm的铸铁阀门相接，用以控制流量。2.3库水位及压强的量测上游水库的水位及进水口、压力管道的压强均用测压管量测。在水槽距进水口3.2m处引出8mm的铜管，然后用8mm的软胶管引到测压板的读数玻璃管上，用于量测库水位。进水口及管道压强的量测，采用在有机玻璃壁上打穿6mm小孔，用6mm胶管连接到测压板的读数玻璃管上。2.4流量测量流量用量水堰量测。水流从模型尾端的阀门流出后，经过两道稳水栅稳水，距出流处4m设锐缘矩形薄壁堰，堰宽0.8m。用雷伯克公式计算流量。3单孔试验结果3.1单孔模型的区别与联系单孔的三个模型，是逐步改进的，其中单是三峡水电站进水口的原初步设计方案，因试验中发现吸气旋涡，故又进行了改进，变成单方案。单方案流态仍不理想，于是又进行了优化，得到单方案。和单相比，单主要进行了如下改进：使进口上下对称。进口下缘曲线胸墙断面以前由圆弧改为台阶式。以改善进口前的流态。增大了淹没深度，以减少旋涡发生。进口上、下侧曲线均改为双圆弧，这样接近于椭圆曲线。同时进口开阔，闸门孔口前断面积增大，以减小水头损失。进口、渐变段及其后直管的倾角改为水平，促使进口真正做到上下对称。增加起破漩作用的人字撑，以改进进水口前的流态。闸门槽宽度则由2.40m减为2.00m，以减小对水流的干扰，改善流态，减少水头损失。3.2三个模型试验结果综合分析三个模型均进行了进水口前流态、水头损失和边壁压强分布的测试。压强分布由测压管测得，水头损失系根据库水位和断面测压管读数由恒定流量方程求得，试验中的水头损失计算断面如附图所示。断面1-1位于距进水口3.20m的上游水槽中，2-2断面取在0十118.00桩号断面(蜗壳进口断面)。试验中可以认为水体是不可压缩的，两断面间的水体与外界无物质与能量交换，水体作恒定流动，两断面均为渐变流断面。为方便起见，本文只分析了模型无拦污栅情况。在分析水头损失和压强分布时，只分析上游水位为145.00m，流量为966.4m3/s的情况；压强只分析135.00m水位情况。3.2.1流态流态对漩涡的分类方面。单I模型在上游水位135.00m时有S型游涡，V1型游涡和V2型漩涡，无V3型漩涡。在进水口前的水位为135.00m时，单进水口前的流态与单I相似，S型、Vl型、V2型漩涡都存在，无V3型漩涡；V2型漩涡较单I中的强度小，带气量少，但频率高。这说明，单所采用的降低进水口高程、减小压力管斜角、加破漩涡人字撑等措施达到了改善进水口前流态的效果，但仍需优化。单，仅有S型漩涡，无V型漩涡，流态较单、单好。这说明，单所采用的对称进水口、改变人字撑和高程等措施具有改善进水口前流态的效果；特别是具有破漩作用的人字撑，由于其高程的改变，破漩效果明显。3.2.2水头损失三个模型试验的水头损失系数见表2。三个模型在进行逐步的体型改进后，取得了明显效果，水头损失逐步减小：单较单水头损失减小了约5cm，单较单又减小了约10cm。分析三个模型的改进之处：由单水头损失小于单可知，由大小圆弧构成的组合进口边壁较中圆弧水流条件更好；由单水头损失小于单可知，对称进水口进流匀称，表2单孔水头损失及水头损失系数模型单单单水头损失/hf.m-11.421.0930.992水头损失系数0.3500.3350.304和非对称进水口相比较，前者水流受干扰少，减小了引水系统水流的掺混作用，能大大减少水头损失。水位145.00，流量966.4m3/s3.2.3进水口壁面压强分布单的振荡较大，单次之，单最好。这说明圆弧对水流影响较大，而双圆弧水流条件更优。只有近似椭圆的双圆弧曲线才较顺应水流，单的上缘曲线接近于l/4椭圆形，说明椭圆曲线是进水口边壁较理想的的曲线形式。同上面三个模型的试验结果可知，在流态、水头损失、压强分布上，总的来讲，单优于单，单优于单及单。综上所述，对单孔方案有如下结论：增加进水口的淹没度可以改善进水口前的流态，减小漩涡的发生。前缘小半径圆弧后接大半径圆弧的近似椭圆曲线的双圆弧曲线更近于流线形状。因而对水流干扰小，进水口边壁压强分布均匀，水头损失小。上下、左右对称的进水口，进水口前的流态较好。进水口前加人字撑，可起到破除漩涡的作用。4双孔试验结果4.1三个双孔模型的区别与联系双是在双基础上改进的，双则是在双基础上优化的，目的是在进一步减小水头损失的同时，改进进水口前的流态。故此，三个模型的主要变化都在进水口前后，压力管道部分基本相同。双对双的改进如下：拦污栅墩底部由圆弧曲线改为平直线，直线后接一段斜直线，再接半径10.00m的圆弧曲线，使进水口工作门的前面更开阔，断面面积更大，更趋于上下对称的情况。进水口淹没深度增加，可减少进水口前漩涡的发生。侧曲线和中墩几乎未作改变。进水口上缘曲线改为圆弧曲线，曲线末端也由第一道门槽加长到第二道门槽。后者更接近于流线形，且使进口开阔。4.2三个模型的试验结果4.2.1流态双I进口前水位135.00m时，水面平稳，有弱S型漩涡(只是表面漩涡，无下凹现象)未见V型漩涡。双水位135.00m时，进口前亦发现有S型漩涡，但强度较双l稍大，除了表面旋转外，有下凹现象；未见V型漩涡。双水位135.00m时，进水口前水面平稳，有S型漩涡，但强度较双弱；与双I相似，无V型漩涡。4.2.2水头损失三个模型的水头损失系数见表3。双孔方案的改进取得了较大的成功，其中很多改进是参考其他工程及文献的基础上提出的，如采用椭圆曲线作进水口边壁，中墩的改进等。由表3可以看出，双较双水头损失减小了11cm，双较双减少了12cm。表3双孔损失系数模型双I双双水头损失/hfm-11.1651.0540.930水头损失系数0.3570.3230.285水位145.00m，流量966.4m3/s4.2.3压强分布三个模型的压强分布，除双局部压强的骤变外，三条压强分布曲线都很光滑，几乎不存在压强的振荡，这说明三种方案进水口曲线虽然不同，但对水流的影响效果相差不大；和单孔比较，双孔方案的压强分布较单孔方案好，其原因主要是双孔方案的进水口流速较低，沿程压强振荡较小。上述试验结果，结合双孔三个模型的改进，有如下结论：淹没深度增大时，进水口上下对称有利于改善进水口前的流态。拦污栅墩与进水口距离增大，进口前流态变差，说明拦污栅具有一定的破漩作用。小半径圆弧与大半径圆弧相连的近似1/4椭圆曲线的组合曲线及l/4椭圆曲线比单圆弧曲线更接近于流线，因而其壁面上压强分布均匀，水头损失小。5单、双孔方案的比较这里在流态和水头损失方面将单、双孔方案作一比较。流态只分析135.00m水位，水头损失只分析145.00m水位时的情况，原型流量均为966.40m3/s。5.1流态比较单I上游水位为135.00m时，进水口水面即有S型漩涡，又有V型漩涡，漩涡带气进入压力管道，气带直径模型达34cm持续时间长达10s；S型漩涡则持续存在，水面上下波动较大。单S型、V型漩涡并存，挟气漩涡直径模型lcm左右，统计平均每10min约有1415个。单有S型波涡，未发现V型漩涡，漩涡旋转较快，有时漩涡中心凹陷。双I进口水面平稳，偶有弱S型漩涡出现，未见有V型漩涡。双发现有S型漩涡，强度较弱，多为表面旋转，偶有中心凹陷的漩涡出现。双水面平稳，几乎无s型漩涡出现。5.2水头损失比较(表4)表4单双孔方案的水头损失及其系数方案单单单双双双头损失/hfm-11.421.0640.9821.1651.0530.921水头损失系数0.3500.3380.3040.3570.3230.285均无拦污栅由表4可见，在经过优化后，无论是单孔还是双孔，水头损失都有较大幅度的减少，其中单和单比较，水头损失减少了0.160m，双与双比较，水头损失减少了0.244m，双孔减小幅度较大。另外，就单、双孔的最终方案(单、双)而言，双孔方案的水头损失较单孔方案小0.061m。综上所述，由于双孔方案进口面积大，流速低、进口宽，因而