研究报告水轮机模型2

1、利用船闸集中输水系统发电的初步可行性研究邓星宇（0919010426），夏晨宇（121306020025），张凯（0919010424）港口航道与海岸工程专业，指导老师：陶桂兰摘 要：在传统短廊道中安装水轮机并利用船闸正常运行时的灌泄水过程，可以实现船闸的发电功能。本研究中选用经过设计的集中式输水系统，最高水头为 6m，一次灌泄水时间为600s，单廊道流量最大 55.71307 m3/s。考虑选择一个竖井贯流式水轮机，贯流式水轮机的适用水头低，流量大，且投资少，经济性能高。通过 CFD 软件建立水轮机模型，进行数值模拟，通过模型转速、力矩、效率、出力，初步验证利用船闸集中输水系统发电的可行性。

2、: 集中输水系统；竖井贯流式水轮机；效率；出力；可行性Pre-feasibility Study of the Power Generation Based on the ShipLock Concentrated Water Filling SystemDeng Xingyu；Xia Chenyu；Zhang KaiAbstract: By installing a hydro turbine in the Short Culvert Conveyance System, ship lock can has the function of power generation during th

3、e operational process. In this study, highest waterhead is 6m; the time of filling and emptying ship lock is 600s and the largest flow in single culvert is 55.71307 m3/s. Thus, consider choosing a turbulence of tubular turbine which is applicable head low flow rate with the advantage of less investm

4、ent and high economic performance. Then using the hydro turbine model built by CFD software, numerical simulation model speed, torque, efficiency, output, preliminary validation of the use of the ship lock concentrated water conveyance system power feasibility.Key words: concentrated filling & e

5、mptying system；turbulence of tubular turbine；efficiency；output,；feasibility本设计中，新型输水廊道采用圆形断面，设计背景资料及详细布置过程见附件。由详细设计资料可知，水轮机放置于廊道直线段输水阀门下游，其平面布置如图 1 所示图 1 输水廊道平面布置图（：mm）如图 1 可知，直廊道段长 8m，断面直径 6m。由于船闸最大水头 6m，流量最大达到 55.71307 m3/s，故考虑选择竖井贯流式水轮机。贯流式水轮机装置是水轮机轴安装在直管状外壳内的一种水轮机形式，可分为灯泡式、竖井式和轴伸式等三种形式。随着世界上高水头水

6、力开发即将告罄，各国都开始把关注点转向低水头水力的开发，而贯流式水轮机，这种能够在低水头、大流量工况下运行的水力装置，也逐渐受到重视。1.竖井贯流式水轮机装置研究对象为竖井贯流式水轮机装置。该装置包括进水流道、叶轮段、导叶段和出水流道， 其中竖井就位于进水流道。原型机单机设计流量为55.71307 m3/s，单机容量P = 140 kW， 设计水头为4.00m，最小水头为0.80 m，最大水头为6.00 m，转轮直径为0.652mm，模型比尺为1:5.833。机组单线如图2所示图 2 机组单线设计2.计算区域和网格划分采用CFD FLUENT 前处理软件Gambit，对竖井贯流式水轮机装置进行

7、三维几何建模和网格划分。计算区域选择包括进水流道、出水流道、转轮段和导叶段四个部分。因文中研究侧重于短时间，低水头，大流量下的水轮机效率和出力的表现，对转轮体的设计如图3所示：图3 转轮体的设计3.转轮改型方案转轮是水轮机组能量转换的关键部件，转轮的优化设计关键在于如何合理地匹配各几何参数，在性能参数间寻求平衡，使转轮既有较高的出力和效率，又有良好的空化性能。通过分析研究，并参考相近比转速的优秀转轮，转轮的优化设计主要从以下几个方面进行：图4 转轮叶片设计1） 调整叶片型式。通过改变叶片进水边线形及叶片扭曲角度，分别做了以下3 种不同型式的转轮叶片，如图4（a） 所示，其中型叶片进水边有明显拐

8、点，拐点处为半径R = 58.5 mm 的圆弧；型叶片与型叶片的进水边较平直，为一条光滑的样条曲线。型叶片的翼型扭曲角度为43°，型叶片的翼型扭曲角度最大为52°。2） 选用不同的上冠线线形。混流式转轮上冠的形状既有直线形的，也有曲线形的。有些转轮上冠曲线的形状采用接近于平直线形，从而增大出口过流面积，但由于平直的曲线形上冠使转轮上冠的出口轴面流速减小，因而使翼型损失增大。研究了A，B，C 共3 种不同形式的上冠线对流量、效率等性能的影响，如图4（b） 所示，其中A 形上冠线趋于平直，C 形上冠线曲度较形上冠线介于两者之间。3）左右转轮叶片的位置不同。优化前左右转轮叶片的位

9、置相同，本优化设计后右边转轮的叶片位置与左边不同，右边转轮叶片位置距离导叶较远，在左转轮叶片位置的基础上，把叶片沿x方向移动32 mm 即得到右转轮叶片位置，见图4（c）。4.工作效率效率数值模拟短廊道水头流量历时变化关系如图 5、图 6 所示：其中，转轮直径 0.652m，进水口道出水口总长 7.734m，均采用矩形出口断面。由水头流量曲线可知，水头在 2m 到 4m 范围内流量较大，此时水轮机工作效率最高，用 Fluent做数值模拟结果见表 1。水轮机工作效率数值模拟结果表 1Q(m3/s)ht(m)水头 m流量kg/s转速rad/s力矩nm效率出力w2756.0620.94529.850

10、390.74795411095.067173877.1620.94819.113470.66442917152.23604963.6320.941087.86090.60241522779.8072560504030201000100200300400500600图6 能量与时间关系曲线（Htt曲线）t(s)8.006.004.002.000.000100200300400500600t(s)图5 水头与时间关系曲线（Htt曲线）5.结论：1） 观察上表可知，水头在 2m 至 4m 之间时，水轮机的效率在 60%至 74%之间，这 个效率对于贯流式水轮机而言，是基本可以接受的，尤其是在发电时间

11、较短的情况下，这个效率更加是符合我们预期的。2） 在看水轮机的出力情况，水头在 2m 至 4m 范围内，水轮的出力在 11kw 至 22.7kw 之间。这个出力也是很有实际价值的，给一些小型用电设备供电是可行的，可以满足船闸启闭的一些动力设备的供电。不论是自用电还是对外供电都有实际的价值。3） 对于出力和效率，fluent 模拟出的结果是可以满足我们预期的，但是由于船闸一次灌泄水的时间很短，这需要水轮机不断的启停机，这对于水轮机自身运行的稳定性，以及供电的稳定性来说，都是存在一定的问题。综上所述，在传统短廊道上增设水轮机并利用船闸正常运行时发电的这一过程中，水轮机发电的出力以及效率是基本满足要

12、求的，可以保证自用电或者对外供电，水能利用率也不低。但是对于短时间发电，需要不断启动，这一问题的可行性仍旧需要进一步研究。参考文献，刘君，陈阳等. 基于 Fluent 的贯流泵数值模拟 排灌机械工程学报. 201012 李效旭，技与经济， 2011，茅媛婷等. 基于 Fluent 的泵站侧向前池整流数值模拟及优化. 水利科3 船闸输水系统设计规范4 船闸总体设计规范附件：集中式输水系统详细设计过程1 设计资料1.1 经济资料建筑物设计等级：某船闸为级船闸，闸首、按一级，闸室等主要结构按二级，导航墙、靠船构件按三级，临时建筑物按四级。货运量及通航情况：该船闸年设计通过能力为 2100 万吨，通航

13、期 N=360 天/年，客轮、工作轮过闸坝数 0=3，船舶载重量利用系数 =0.83，月不均匀系数 =1.1，船闸昼夜工作时间 =21.5 小时。1.2 特征水位特征水位表 11.3 水位组合水位组合表 21.4 设计船型设计船型表 31.5 设计船队组合型船队图 1 型船队组合示意图序号船型（T）马力 长×宽×吃水(m)驳船 长×宽×吃水(m)船队 长×宽×吃水(m)（）一顶+2×2000370 马力75×14×2.62.8186×14×2.62.8（）一顶+2×10002

14、70 马力62×10.6×2.02.2160×10.6×2.02.2（）一拖+4×500270 马力27.5×6.1×2.4653×8.8×1.9239.5×8.8×2.46（）一拖+12×100250 马力23×4.9×1.8524.85×5.24×1.5321.2×5.2×1.85设计情况上游(m)下游(m)水位差(m)运用24.018.06.0设计最高通航水位(m)设计最低通航水位(m)上游24.018.5下游

15、19.118.0型船队图 2型船队组合示意图型船队图 3型船队组合示意图型船队图 4型船队组合示意图型船队图 5型船队组合示意图1.6 闸室基本尺度船闸基本尺度表 41.7 引航道平面布置和尺度物理量符号设计值闸室有效长度𝐿Xm230闸室有效宽度𝐵Xm23门槛最小水深𝑆𝑐m4.5段长度𝐿m10闸室总长度𝐿𝑐m2401.7.1 引航道平面布置本设计中引航道平面布置形式采用称型，过渡段和制动段重合使用，不另设制动段，引航道内只有一侧停靠等候过闸的船舶，如图 6 所示。曲出直进图 6称型示

16、意图1.7.2 引航道尺度引航道尺度表 5注：引航道宽度为设计最低通航水位时，设计最大船舶、船队满载吃水船底处的宽度(m)；引航道最小水深为在设计最低通过水位时，引航道底宽内最小水深1.7.3 引航道断面本设计中引航道边坡取 1:3。靠船建筑物1:314.0上游引航道断面靠船建筑物1:313.5下游引航道断面图 7 引航道断面图1.8 船闸高程船闸部分高程表 6物理量符号设计值导航段长度l1m186调顺段长度l2m300停泊段长度l3m230直线段的总长度Lm716过渡段长度l4m250引航道宽度B0m50引航道最小水深H0m4.5物理量设计值上闸首门槛顶高程m14下闸首门槛顶高程m13.5闸

17、室底板顶高程m13.5上游引航道底高程m14下游引航道底高程m13.52 输水系统的选择和水力计算2.1 输水系统的选择输水系统是船闸的重要组成部分，包括进口、输水廊道、输水阀门、出口及消能工等全部设施，它与船舶能否快速安全过闸、船舶在闸室和引航道内的停泊条件有密切关系。2.1.1 输水系统的设计应满足下列要求：1,2灌水和泄水时间；船舶、船队在闸室内的停泊条件和引航道内的停泊和航行条件。船闸各部位在输水过程中不至由于水流冲刷、空蚀、振动等造成破坏。以上几个方面的要求，在一定程度上是相互的。因此在设计中，就要求坚持统筹兼顾的原则，妥善布置，得到一个性能良好而又经济合理的输水系统。2.1.2 输

18、水系统的分类和选择输水系统可分为集中输水系统和分散输水系统。集中输水系统是将输水系统集中布置在闸首范围内，由于闸室中没有输水廊道，所以结构简单，施工方便，造价便宜，但闸室水流条件受到很大限制。分散输水系统是将输水系统分散布置在闸首及闸室内，可以显著改善水流条件，但构造复杂，施工，造价提高。一般集中输水系统适用于中、低水头的情况，分散输水系统适用于高水头的情况。在初步选择输水系统类型时，建议根据 m 值选定1,2。m 值可按下式计算：𝑇𝑚 =𝐻式中：T灌水时间(min)，本设计中初估 10min；H设计水头(m)，本设计中为 6m。当 m>3

19、.5 时，采用集中输水系统；当 m<2.5 时，采用分散输水系统；当 m=2.53.5时，应进行技术论证，参照类似工程选定。𝑇10m = 4.1 > 3.5𝐻6因此，本设计中采用集中输水系统。2.1.3 消能措施的选定集中输水系统的消能措施按其有无消能工以及消能工的复杂程度可分为无消能工、简单消能工和复杂消能工。消能工应该根据具体条件选用，其型式主要包括消能室、消力齿、消力槛、消力梁、消力格栅、垂直挡板、水平遮板、消力池和消力墩等。集中输水系统的消能措施可根据水力指标选择，按下式计算1,5：1上闸首：𝑉= 2𝐿

20、19867;maxc𝐻𝑇(𝑆c+ 2 )1𝑇𝑆c下闸首：𝑉= 1.8𝐿 𝐻maxc式中：𝑉max对上闸首为灌水时闸室最大的断面平均流速；对下闸首为泄水时下闸首门后段最大的断面平均流速(m/s);𝐿𝑐闸室水域长度(m)； H设计水头(m)； T闸室灌泄水时间(s)；𝑆𝑐槛上最小水深(m)。11上闸首：𝑉= 2𝐿 𝐻= 2 × 240

21、× 6 ×= 0.64m/smax𝐶𝐻6𝑇(𝑆𝐶+ )10×60×(4.5+ )2211下闸首：𝑉= 1.8𝐿 𝐻= 1.8 × 240 × 6 ×= 0.96m/smax𝐶𝑇𝑆𝐶10×60×4.5各类消能工的水力指标2,6表 7由表 7 可得，基于安全考虑，上闸首采用复杂消能工；下闸首采用简单消能工。2.2 集中输

22、水系统的布置2.2.1 输水廊道的断面面积输水阀门处的廊道面积，在初步计算时可按下式计算1,18：2𝐶𝐻𝜔 = 𝜇𝑇2g1 (1 𝛼)𝑘𝑣式中：输水阀门处廊道断面面积(m2)；C计算闸室水域面积(m2)，对单级船闸取闸室水域面积；对多级船闸中间级， 取闸室水域面积的一半；H设计水头 (m)；阀门全开时输水系统的流量系数，可取 0.60.8；𝑇闸室灌水时间(s)；系数，可查表 8 选用；𝑘v取 0.60.8；g重力度(m/s2)输水阀门的

23、𝛼值表 8本设计中，𝑘V取 0.7，得：𝜇初估 0.7，因采用锐缘平面阀门，查表 8 得 = 0.56，故由上式2𝐶𝐻2×240×23×1.1×6 = 23.11m2𝜇𝑇2g1(1)𝑘V0.7×10×60×2×9.811(10.56)×0.7输水廊道左右对称，故每个廊道断面面积只需𝜔，断面面积扩大到 25.13 m2，即直径为24m。2.2.2 闸室输水时间的确定

24、输水阀门的开启时间输水阀门开启时间可按下式计算1,18：𝐾r𝜔𝐷𝑊2g𝐻𝑡v =𝑃 (𝜔 𝜒)𝐿𝑐式中：𝑡v输水阀门开启时间(s)；𝐾r系数，对锐缘平面阀门，取 0.725，对反向弧形阀门取 0.623；输水阀门处廊道断面面积(m2)；H设计水头(m)；阀门型式不同流量系数（阀门全开时）的𝛼值𝜇 = 0.5𝜇 = 0.6𝜇 =

25、 0.7𝜇 = 0.8𝜇 = 0.9锐缘平面阀门0.630.590.560.530.50反向弧形阀门0.580.510.460.430.41消能工类型部位 流速和水头无消能工简单消能工复杂消能工𝑉max(m/s)𝐻(m)𝑉max(m/s)𝐻(m)𝑉max(m/s)𝐻(m)上闸首闸室0.250.4540.450.65470.650.9711下闸首门后 0.8 40.81.9481.92.3811g重力度(m/s2)W船舶、船队排水量(t)；𝑃L 允许系缆

26、力的纵向分力(kN)按表 9 查用；𝜔𝑐初始水位的闸室横断面面积(m2)；𝜒船舶、船队浸水横断面面积(m2)；𝐷波浪力系数，当船舶、船队的长度接近闸室长度时取 1.0。船舶允许系缆力表 9由船型资料得：𝑊 = 186 × 14 × 2.8 × 0.85 = 6197.52t𝜒 = 14 × 2.8 × 0.85 = 33.32m2𝜔𝑐 = 23 × (18 13.5) = 103.5m2由表 9 查得

27、9875;𝐿 = 40kN，当船舶、船队的长度接近闸室长度时 D 取 1.0，由上式得：𝐾r𝜔𝐷𝑊2g𝐻= 0.725×25.13×1.0×6197.52×2×9.81×6 = 436.42s𝑡𝑣40×(103.533.32)𝑃L(𝜔𝑐𝜒)2.3 输水廊道的布置2.3.1 输水廊道的进口1,11廊道进口应修圆，修圆半径可取 0.100.

28、15 倍廊道进口宽度，即：𝑟修圆 = (0.100.15) × 4m = 0.40.6m 本设计中取 0.5m2.3.2 输水廊道的转弯段廊道弯曲段的设计主要是选择合适的曲率半径。从水力学观点来看，曲率半径宜大一些。半径过小，不但使转弯段损失增大，流量系数减小，而且使转弯段内侧曲面的降低，甚至发生负压以致空蚀而使结构破坏；但曲率半径增大就必然增加闸首的长度和宽度，增大工程量。因此曲率半径选定的原则是既经济，又要有较好的水力条件。廊道进口转弯段中心线的平均曲率半径1,11不小于 0.91.0 倍廊道转弯段的平均宽度， 考虑到廊道进口断面最大平均流速不宜大于 4.0m/s

29、，因此在本设计中，将进口断面直径加大到 4.6m，进口处断面面积为2.32 × 𝜋 × 2 = 33.24m2，故廊道进口转弯段的平均宽度为(4+4.6) = 4.3m，则：2𝑅进口中心线 (0.91.0) × 4.3 = 3.874.3m本设计中取 4m廊道内侧的曲率半径可取为 0.15 倍设计水头，则：𝑟进口内侧 0.15 × 6 = 0.9m考虑到𝑅进口中心线 = 4m，本设计中内侧曲率半径取 1.7m外侧曲率半径𝑟进口外侧 = 1.7 + 4.6 = 6.3m。为了减

30、少输水廊道出口的水流流速，扩大对冲面积以增加消能效果，廊道出口断面宜扩大为阀门处廊道断面面积的 1.21.6 倍，即廊道出口断面面积为(1.21.6) × 25.13 =船舶吨位(t) 允许系缆力(kN)30002000100050030010050纵向水平分力464032251885横向水平分力2320161394330.1640.21m2，本设计选用出口断面直径为 5m，出口处断面面积为2.52 × 𝜋 × 2 = 39.27 m2。廊道出口转弯段中心线的平均曲率半径1,11不小于 1.01.4 倍廊道转弯段的平均宽度，廊道出口转弯段平均宽度为

31、(4+5) = 4.5m，则：2𝑅出口中心线 (1.01.4) × 4.5 = 4.56.3m本设计中取 6m廊道内侧曲率半径可取 0.20.25 倍设计水头，则：𝑟出口内侧 = (0.20.25) × 6 = 1.21.5m考虑到𝑅出口中心线 = 6m，𝑟出口内侧加大到 3.5m廊道外侧曲率半径𝑟出口外侧 = 3.5 + 5 = 8.5m廊道直线段3,83长度一般取 1.32.5 倍廊道宽度，则：𝑙直线段 = (1.32.5) × 4 = 5.210.0m 本设计中取

32、 8m输水阀门中心线3,83的位置距离进口内侧 5m2.3.3 淹没水深3,82廊道进口的淹没水深应按下式确定，计算时应考虑灌水廊道进口前水面的降低：𝑣2m = 1.2 ×2g式中：最小淹没水深(m)；𝑣m最大流量时廊道进口断面的平均流速(m/s)；g重力度(m/s2).进口断面最大平均流速不宜大于 4m/s，取𝑣m = 4m/s，则：42= 0.98m本设计中取 1m = 1.2 ×2×9.81廊道出口淹没水深按表 10 取用：廊道出口最小淹没水深表 10本设计中船闸级别为级，查表 10 得，上闸首廊道出口最小淹没

33、水深取 2.0m，下闸首廊道出口最小淹没水深取 1.5m。综上所述，可得输水廊道平面布置如图 8 所示。船闸级别、最小淹没水深(m)上闸首2.01.51.0下闸首1.51.00.5图 8 输水廊道平面布置图（：mm）2.4 水力特性曲线本设计中水力特性曲线计算包括：流量系数与时间的关系曲线；闸室水头与时间的关系曲线；流量与时间的关系曲线；能量与时间的关系曲线；比能与时间的关系曲线；2.4.1 流量系数的计算流量系数可按下式计算1，42：1𝜇𝑡 = 𝜉vn + 𝜉 + 𝜉c式中：𝜇𝑡时

34、刻 t 的输水系统流量系数；𝜉vn时刻 t 阀门开度 n 时的阀门局部阻力系数，可按表 11 选用；𝜉阀门井或门槽的损失系数；平面阀门取 0.10；反弧形阀门取零；𝜉c阀门全开后输水系统总阻力系数，包括进口、出口、拦污栅，转弯、扩大、收缩等局部阻力系数，以及沿程摩阻损失的阻力系数，即：𝜉进口 + 𝜉出口 + 𝜉拦污栅 +𝜉转弯 + 𝜉扩大 + 𝜉收缩 + + 𝜉沿程。以上各阻力系数均应换算为阀门处廊道断面的阻力系数，即各阻力系数应乘以阀

35、门处廊道面积与各段廊道面积比值的平方。阀门开度 n 与𝜉vn、𝜀n的关系1,41表 11阀门开度注：反向弧形阀门阻力系数值已包括阀门井损失；平面阀门阻力系数值不包括门槽及门井损失。各局部阻力系数的确定1,37：进口廊道进口因边缘修圆而微带圆弧形，故𝜉进口 = 0.20.25。本设计中取𝜉进口 = 0.22。拦污栅4/3𝑆𝜉bar = 𝛽 (𝑏)式中：𝜉bar拦污栅阻力系数；𝑆栅条厚度(cm)；𝑏栅条净间距(cm)；

36、20573;栅条形状系数。对于两端都做成楔形的光滑栅条，𝛽 = 0.76。本设计中采用两端都做成楔形的光滑栅条，故𝛽 = 0.76，栅条厚度为 2.5cm，栅条净间距为 12cm。由上式可得：4/34/3𝑆2.5𝜉bar = 𝛽 (𝑏)= 0.76 × () 12= 0.094225.13𝜉拦污栅 = 0.094 × () = 0.05433.24廊道圆滑转弯𝜃90°𝜉 = 𝜉𝑘Ү

37、96;式中：𝜉𝑘廊道转弯阻力系数；𝜃转角(°)；𝜉k系数，与廊道形状及转弯曲率半径有关，对于圆形廊道其数值如表 12圆形廊道𝜉k值表 12其中：𝑑圆形廊道直径(m)；𝑅廊道轴线的曲率半径(m)。𝑑 2𝑅0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0𝜉𝑘0.130.140.160.210.290.440.660.981.411.98门 型n0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

38、反弧形阀门横梁全包𝜉vn145.236.3117.388.323.981.910.910.440.210.10𝜀n0.7670.7130.6460.6470.6730.7110.7510.7910.8351.00竖梁式𝜉vn273.857.9520.609.874.942.731.330.560.230.10𝜀n0.5700.5810.6030.6060.6250.6360.6770.7440.8201.00平面阀门𝜉vn186.243.7817.488.384.282.161.010.390.090⼙

39、6;n0.6830.6560.6430.6420.6520.6750.7130.7710.8551.00对于进口转弯，本设计中𝜃 = 90°，由d2R = 4.6(2 × 4) = 0.58，查表 12 并内插计算2= 0.41 × 90° = 0.41，𝜉= (25.13得𝜉 = 0.41，故𝜉。)33.24× 0.41 = 0.23𝑘进口转弯进口转弯90°对于出口转弯，本设计中𝜃 = 90°，由 d2R = 5(2 ×

40、; 6) = 0.42，查表 12 并内插计算2= 0.23 × 90° = 0.23，𝜉= (25.13得𝜉 = 0.23，故𝜉)39.27× 0.23 = 0.094𝑘出口转弯出口转弯90°故𝜉转弯 = 𝜉进口转弯 + 𝜉出口转弯 = 0.23 + 0.094 = 0.324。扩大2𝜔1𝜉= 𝑘 (1 )PK𝜔2式中：𝜉 以扩大前的断面𝜔1为计算

41、断面的阻力系数；PK𝜔1扩大处前断面的面积；𝜔2扩大处后断面的面积。𝑘系数，与圆锥顶角𝜃有关，其值按表 13 查用。圆锥角𝜃表 13本设计中，出口采用扩大。对于廊道出口段，𝜃如图 9 所示。由图 9 可得𝜃 = 6.1°，查表 13 并内插计算得𝑘 = 0.14。故由上式可分别得：25.132𝜉出口扩大 = 0.14 × (1 ) = 0.01839.27𝜃9.5𝑚图 9 出口转弯段𝜃

42、示意图缩小对于其阻力系数。出口缩小，不考虑其阻力系数。本设计中，廊道进口采用缩小，故不考虑对单支孔出水，𝜉出口 = 1.0。本设计采用单支孔出水，故𝜉出口 = 1.0。沿程摩阻系数4𝑚𝜃5°10°15°20°30°40°50°以上k0.130.170.260.410.710.901.01.1由于环形短廊道较短，沿程摩阻系数可忽略不计。故，𝜉𝑐 = 𝜉进口 + 𝜉拦污栅 + 𝜉转弯 +

43、 𝜉0.324 + 0.018 + 0 + 1 + 0 = 1.62扩大 + 𝜉缩小 + 𝜉出口 + 𝜉沿程 = 0.22 + 0.054 +1本设计中采用平面阀门，故阀门井或门槽的损失系数𝜉取 0.10，由𝜇 =得：𝑡𝜉vn+𝜉+𝜉c111𝜇𝑡 = = = 𝜉vn + 𝜉 + 𝜉𝑐𝜉vn + 0.10 + 1.62x

44、585;vn + 1.721当阀门全开时，阀门开度 n=1，查表 11 得𝜉= 0，此时，𝜇 = 0.76，略大vn𝑡0+1.72于初估值 0.7。闸室输水时间应根据确定的流量系数和阀门开启时间，按下式计算1,19：2𝐶𝐻𝑇 = + (1 𝛼)𝑡𝑉𝜇𝜔2g式中：𝐶 计算闸室水域面积，对单级船闸取闸室水域面积；对多级船闸中间级，取闸室水域面积的一半；H设计水头(m)；𝑇闸室输水时间(s)；&

45、#120583;阀门全开时输水系统的流量系数；𝜔输水阀门处廊道断面面积(m2)；𝛼系数，可由查表 8 得；𝑡v阀门开启时间(s)；g重力度(m/s2)。当𝜇=0.76 时，查表 8 并内插计算得𝛼 = 0.5422𝐶𝐻2 × 240 × 23 × 1.1 × 6𝑇 = + (1 𝛼)𝑡𝑉 = + (1 0.542) × 436.42 = 551.5s𝜇&#

46、120596;2g0.76 × 25.13 × 2 × 9.81= 9.2min略小于预估时间 10min。2.4.2 流量系数与时间关系曲线（tt 曲线）t 和 t 的关系曲线表达式：1𝜇𝑡 = 𝜉vn + 1.72式中：𝜇𝑡时刻 t 的输水系统流量系数；𝜉vn时刻 t 阀门开度 n 时的阀门局部阻力系数，可按表 11 选用； 取 T=5s流量系数计算表 14T04488131175219262306350394437552n00.10.20.30.40.50.60.

47、70.80.911vn186.243.7817.488.384.282.161.010.390.0900t0.0000.0730.1480.2280.3150.4080.5080.6050.6880.7430.7620.7622.4.3 水头与时间关系曲线（Htt 曲线）本设计中采用短廊道，故忽略惯性水头的影响，阀门开启过程中及阀门全开后任一时段末的水位差，可按下式计算1,45：2)𝑡𝜇mt𝜔2gi+1 = (i 2𝑐式中：i+1计算时段末的水头(m)；𝑖计算时段开始时的水头(m)；𝑡计算时段，取

48、1030s，本设计中取 20s；𝜇mt计算时段的平均流量系数；𝜔输水阀门处廊道断面面积(m2)；𝑐计算闸室水域面积(m2)，对单级船闸，取闸室水域面积；对多级船闸中间级，取闸室水域面积的一半。计算时可从输水开始时刻算起，这时 t=0,h1=H，H 为设计水头，可算得第一时段末 h2， 然后以第一时段的 h2 作为第二时段的 h1，计算第二时段末的 h2，再以第二时段末的 h2 作为第三时段的 h1，由此类推，可得全过程的水头与时间关系曲线。水头计算表 15tTtTmtht00.0006.00200.0330200.0175.99400.06820

49、400.0515.94600.10040600.0845.87800.13460800.1175.761000.169801000.1525.631200.2081001200.1895.471400.2461201400.2275.271600.2851401600.2665.051800.3251601800.3054.802000.3681802000.3474.532200.4102002200.3894.232400.4572202400.4343.912600.5042402600.4813.570.9000.8000.7000.6000.5000.4000.3000.2000.1

50、000.0000100200300400500600图10 流量系数与时间关系曲线t(s)2.4.4 流量与时间关系曲线（Qtt 曲线）本设计采用短廊道，故忽略惯性水头，灌泄水过程各时刻的流量可按下式计算：𝑄𝑡 = 𝜇𝑡𝜔2gt式中：𝑄t时刻 t 的流量(m3/s)；𝜇t时刻 t 的流量系数，由流量系数与时间关系曲线求的；t时刻 t 的水位差(m)，可由水头与时间关系曲线求得；𝜔输水阀门处廊道断面面积(m2)；流量计算表 16ht(m)TthtQt00.0006.00

51、0.00200.0335.998.99400.0685.9418.458.006.004.002.000.000100200300400500600图11 水头与时间关系曲线t(s)2800.5492602800.5273.213000.5942803000.5722.853200.6333003200.6142.483400.6713203400.6522.123600.7043403600.6881.773800.7303603800.7171.444000.7483804000.7391.134200.7594004200.7540.864400.7624204400.7610.6246

52、00.7624404600.7620.424800.7624604800.7620.265000.7624805000.7620.135200.7625005200.7620.055400.7625205400.7620.015520.7625405520.7620.00由图 12 可知，最大流量 Q=112m3，已知廊道进口断面面积 = 33.24m2，故廊道进口= 𝑄 = 3.4m/s < 4m/s，满足要求1,3，又已知廊道阀门处断112断面最大平均流速𝑣max33.24= 𝑄 = 4.5m/s < 15m/s，廊道内无需112

53、面面积 = 25.13m2，故廊道中最大流速𝑣max25.13Q(m3)120.00100.0080.0060.0040.0020.000.000100200300400500600图12 流量与时间关系曲线t(s)600.1005.8726.96800.1345.7635.801000.1695.6344.631200.2085.4754.131400.2465.2762.881600.2855.0571.311800.3254.8079.292000.3684.5387.182200.4104.2393.882400.4573.91100.602600.5043.56105

54、.922800.5493.20109.393000.5942.84111.433200.6332.47110.823400.6712.11108.543600.7041.76104.003800.7301.4397.174000.7481.1288.284200.7590.8577.914400.7620.6166.394600.7620.4154.544800.7620.2542.705000.7620.1330.855200.7620.0519.005400.7620.017.155520.7620.000.00采取额外防护措施1,3。2.4.5 能量与时间关系曲线（𝐸tt

55、曲线）能量与时间关系曲线可通过下式计算求得：𝐸t = 9.81𝑄tt式中：𝐸t时刻 t 的能量(kW)；𝑄t时刻 t 的流量(m3/s)；t时刻 t 的水位差(m)，可由水头与时间关系曲线求得。能量计算表 17TQthtEt00.0006.000.00208.9875.99527.654018.4485.941074.976026.9585.871551.078035.8035.762023.6910044.6325.632464.7012054.1325.472902.8514062.8825.273253.1116071.3075.053534.2518079.2934.803736.9520087.1824.533874.0522093.8774.233896.71240100.5963.913859.20260105.9183.573709.44280109.3873.213449.54300