水利工程论文-连接管长度对调压井水位波动和水锤压力的影响摘要：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研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，详细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。研究表明，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。关键词：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，经常遇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，与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，与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讨这个问题，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，并在阻力作用下逐渐衰减的过程。波动水位的大小与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与引水洞长度L之比为χ=L3/L，则考虑连接管的水流波动路径长是L´=(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´0=Lν0/L´=ν0/(1+χ)。对于阻抗式调压井，在机组突然甩负荷工况，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(1)波动的周期是(2)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作用，现象上与调压井阻抗的作用相似，但它们的物理本质不同。连接管水体的阻尼作用靠的是惯性力，它与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)图1水库——调压井——阀门系统示意处其作用大，其余部位作用小。而调压井阻抗的阻力靠的是水力损失，与流速的平方成正比，流量大时它发挥的作用大。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；与此同时，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...