CN104929087B - 一种阻尼阻抗式调压装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻尼阻抗式调压装置。包括引水管和与大气联通的调压室，调压室底部通过连接水道与引水管联通，连接水道中有可移动的阻尼球，阻尼球有阻尼弹簧限位控制；连接水道两端面有支撑架，两支撑架中心固定有沿连接水道纵向中心设置的支撑滑杆，支撑滑杆穿过阻尼球中心，阻尼球上下两端面有阻尼弹簧。本发明设计了可双向调面积和阻尼系数大小的阻抗孔口，其具有调压室减小水锤压力、改善机组运行性能的功能，又能充分利用阻抗式调压室的优点。模型试验证明，该装置可以起到“水锤爆破膜”的作用，能够减小压力管道的水锤压力，降低调压室的最高涌波水位，增加调压室的最低涌波水位，提高了调压室的运行安全性。

Description

一种阻尼阻抗式调压装置

技术领域

本发明属于水利水电系统工程及其系统设计技术，以及输送流体管线系统设备技术领域，尤其属于管线水锤防护设计技术领域，具体涉及一种阻尼阻抗式调压装置。

背景技术

在水输送技术领域，管线水锤对管线及相关设备的影响不容忽视。

目前国内外水电站的调压装置最常见的就是采用各种形式的调压室，工业管道和泵站系统的调压装置大多采用调压罐或调压阀。

水电站调压室的设计和使用已经相当成熟和普遍，常规的调压室有简单式、阻抗式、水室式也称双室式、差动式、气垫式、溢流式等，这些形式的调压室经过几十年的研究和使用，其理论和设计经验已经相当成熟。其中阻抗式调压室是一种成熟的结构方法，阻抗式调压室结构中，阻尼管口设计成翻板门的结构形式曾有报道。

“水锤爆破膜”的原理是在压力管道设计一处最薄弱的部位，安装一种受压后即可破裂的膜片，当有压管道受到水锤压力后，膜片破裂泄流，从而限制了水锤压力的升高，水锤爆破膜的缺点是破裂后需要重新更换，并且要考虑泄流的影响，所以除个别小型水电站外，目前很少使用。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种阻尼阻抗式调压装置。本发明 要解决的问题是提供一种自动调整阻尼管口面积和阻尼的调压装置，本发明装置除可应用于水电站外，也可将其应用于工业管道系统的水锤防护设计。

本发明通过以下技术方案实现：

阻抗式阻尼调压装置，包括引水管和与大气联通的调压室，其特征在于：所述调压室底部通过连接水道与引水管联通，连接水道中有可移动的阻尼球，阻尼球有阻尼弹簧限位控制。

所述连接水道两端面有支撑架，两支撑架中心固定有沿连接水道纵向中心设置的支撑滑杆，支撑滑杆穿过阻尼球中心，阻尼球上下两端面有阻尼弹簧。

所述连接水道中部组尼管直径小于上部上扩管和下部下扩管直径、并上下对称设置。

所述上、下两阻尼弹簧分别固定在两端面的支撑架上，阻尼弹簧与阻尼球接触端可分离接触或固定连接。

所述阻尼管直径与上、下扩管直径的比例是0.7～0.8。最佳比例是0.707。

所述连接水道两端面的支撑架是沿水道径向设置的十字形支撑架。

水电站调压室的重要功能就是减小压力管道的水锤压力，改善机组的运行性能，本发明既能保留调压室的功能，又尽可能降低调压室的涌波水位。常规调压室是依靠一定的阻尼管口面积来保证反射水锤波的条件，达到减小水锤压力的目的，在《水电站调压室设计规范》中建议阻尼孔口面 积不能小于调压室底部引水道面积的15％。由水电站调压室的相关技术可知，阻尼孔口面积与水位波动幅值有关，阻尼孔口面积越小水位波动振幅越小，但阻尼孔口面积越小水锤压力又会越大。因此，希望反射水锤波的条件好，水锤压力小，同时又希望调压室水位波动幅值小，从对水锤压力的要求和对调压室涌波水位的控制要求两方面来看，对阻尼孔口的面积要求是相反的，降低水锤压力要求大孔口面积，减小水位波动幅值要求小孔口面积。本发明为了解决上述矛盾，基于“水锤爆破膜”的原理，将“降低水锤压力要求”交给阻尼球和弹簧来实现，并利用调压室水位波动规律呈正弦衰减波动的特性，研究了进出调压室的流量变化规律，依靠阻尼球在水压力作用下的自身运动，在调压室水位波动过程中不断封阻和放开阻尼孔口，达到自动改变阻尼孔口面积并调整阻尼的目的，从而很好的解决了这对矛盾。

本发明阻抗式调压装置工作原理如下：

调压室正常运行时，无论调压室的初始运行水位高低，只要是恒定工况，进出调压室的流量为零，阻尼球总是位于阻尼管中央位置，封挡住大部分阻尼管口的面积。当水轮发电机组丢弃负荷后，水轮机导叶关闭，压力管压力升高，调压室底部压力升高，水流向上流动，水流向上推开阻尼球，阻尼管打开，防止水锤压力进一步升高，并且压缩上弹簧，下弹簧可以不动，此时阻尼球位于上扩管中，水流进入调压室时阻尼球形成流体阻力，制约了调压室水位升高。随着向上流入调压室中的流量减小，水压力减小，在上弹簧的作用下，阻尼球慢慢向中间阻尼管内回复，阻尼管口面 积减小，进一步制约调压室的最高涌浪水位。当机组增加负荷时，压力钢管压力降低，调压室底部压力降低，水流由调压室向下流动，水流向下推开阻尼球，阻尼管同样可以打开，防止水锤压力进一步降低，并且压缩下弹簧，上弹簧可以不动，此时阻尼球位于下扩管中，水流向下流出调压室，阻尼球同样形成流体阻力，制约调压室的水位降低，其后在下弹簧作用下，阻尼球又回复到中间位置。因此这种设计可以双向作用，比相同阻尼孔面积的调压室降低了水位波动幅值，调压室最高涌浪水位大大降低，可以降低调压室的高度，节约调压室的工程量。同时还能提高调压室的最低涌浪水位，有利于调压室的运行安全。特别是正常运行时，由于阻尼球位于阻尼管中央，并不完全封闭阻尼管口，仅仅是缩小了阻尼管口的面积，对电站引水系统的小波动稳定性更有利。

本发明提出一种新型自动调整阻抗孔口面积和阻尼的调压装置，该装置基于“水锤爆破膜”原理和“阻抗式调压室”基本结构，利用机械弹簧的自动回复功能和流体阻力与流量、流速关系，将常规阻抗式调压室的阻抗孔口设计成上下对称的缩放管形式，中间布置可自由活动的阻尼球，阻尼球与弹簧构成自动可双向调面积和阻尼系数大小的新型阻抗孔口。

该装置具有调压室减小水锤压力、改善机组运行性能的功能，又能充分利用阻抗式调压室的优点。模型试验证明，该装置可以起到“水锤爆破膜”的作用，能够减小压力管道的水锤压力，降低调压室的最高涌波水位，增加调压室的最低涌波水位，提高了调压室的运行安全性。将其应用于水电站中，与普通阻抗式调压室相比，可以降低调压室的设计高度，减小调 压室的开挖尺寸，节省工程投资，具有实用和推广价值。该装置除可应用于水电站外，也可将其应用于工业管道系统的水锤防护设计中。

附图说明

图1是本发明阻抗式调压装置结构示意图；

图2是本发明调压装置支撑架结构示意图，即图1AA截面结构示意图；

图3是调压室水位波动图；

图4是进入调压室的流量变化过程；

图5是本发明调压装置与原阻抗式调压室水位波动比较图。

图中，1是阻尼球，2是支撑滑杆，3是阻尼弹簧，4是支撑架，41是上支撑架，42是下支撑架，51是上扩管，52是下扩管，6是阻尼管，7是引水管，8是调压室。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。

结合图1和图2。

阻抗式调压装置，包括引水管7和与大气联通的调压室8，调压室8底部通过连接水道与引水管7联通，连接水道中有可顺水流方向移动的阻尼球1，阻尼球1有阻尼弹簧3限位控制。

连接水道中部组尼管6直径小于上部上扩管51和下部下扩管52直径、 并上下对称设置，连接水道两端面有支撑架4，两支撑架4中心固定有沿连接水道纵向中心设置的支撑滑杆2，支撑滑杆2穿过阻尼球1纵向中心，阻尼球1上下两端面有阻尼弹簧3。

上、下两阻尼弹簧3分别固定在两端面的支撑架4上，阻尼弹簧3与阻尼球1接触端与阻尼球1可分离接触或固定连接。所述可分离接触是阻尼弹簧3与阻尼球1接触端没有固定，在阻尼球1作远离移动时，阻尼弹簧3不随阻尼球1移动，固定连接是阻尼弹簧3与阻尼球1接触端固定连接，在阻尼球1作远离移动时，阻尼弹簧3随阻尼球1移动。

阻尼管6直径与上、下扩管51、52直径的比例是0.7～0.8。本例选择比例是0.707。采用变径的连接水道有利于进一步提高阻尼效果。

阻尼球1直径与连接水道中部组尼管6直径的比例最佳是0.78。

连接水道两端面的支撑架4是沿水道径向设置的十字形支撑架41、42。

根据水电站调压室的工作原理和基本方程，其水位波动过程和进出调压室的流量变化过程如图3和图4所示：图3是调压室水位波动图，图中横坐标是时间、单位秒，纵坐标是调压室水位高程、单位m；图4是进入调压室的流量变化过程，图中横坐标是时间、单位秒，纵坐标是进出调压室流量、单位m³/秒。

根据流体力学伯努利方程推导可知，调压室阻抗孔口上下断面的压力差与进出调压室的流量Q_s或流速有关，并与阻抗孔口面积和形状有关，可以表达为如下形式：

$\mathrm{\Δ}h=\frac{p_1}{\mathrm{\ρ}g}-\frac{p_2}{\mathrm{\ρ}g}=\mathrm{\Δ}z+{\mathrm{kQ}}_s^2---\left(1\right)$

式中：Δh为阻抗孔口上下断面的压差水头；ρ为水的密度；g为重力加速度；Δz为孔口上下断面位置高差；k为与孔口面积和形状有关的综合阻力系数，p1为进口压力，p2为出口压力。

阻尼球受到的水压力：

F_p＝ρg·Δh·s (2)

式中：s为阻尼球横截面积。

弹簧力：

F_k＝k_s·Δx (3)

k_s为弹簧的弹性系数，Δx为弹簧压缩或伸长量。

水压力和弹力不断平衡，即F_p＝F_k，因此随着进出调压室的流量Q_s周期变化，水压力也跟着变化，弹簧自动调整压缩量，弹力也变化，并且能自动改变阻抗孔口的面积和调整阻尼大小。

如图1和图2所示，本发明在连接水道中设置阻尼球1，上扩管51上端面的上支撑架41和下扩管52下端面的下支撑架42采用的十字梁，本例上、下支撑架分别与上、下阻尼弹簧3固定，实际设计时采用阻尼弹簧的直径大于中间的阻抗管6口直径，上阻尼弹簧3下端与阻尼球1之间采用可活动接触，下阻尼弹簧3上端与阻尼球1之间也采用可活动的接触，阻尼球1向上压缩上阻尼弹簧3时下阻尼弹簧3不动，向下压缩下阻尼弹簧3时上阻尼弹簧3不动。上、下支撑架4之间布置一根支撑滑杆2，位于阻尼弹簧3中心位置，在阻尼球1中间穿孔，支撑滑杆2穿过阻尼球1，阻尼球1可沿支撑滑杆2上下自由移动，阻尼球1与阻抗管6之间留有一定的间隙， 便于水流通过形成压力差，阻尼球1起到“水锤爆破膜”中的膜瓣作用，上下双向可调。

实验结果

将本发明阻抗式调压装置在实验室进行试验，采用成都泰斯特公司的数字压力传感器，计算机数据采集软件，直接用笔记本电脑进行数据采集，实测的数据如表1所示，调压室水位波动波形比较如图5所示。

表1新型调压装置与原阻抗式调压室的水位波动实验数据对比表

图5是本发明调压装置与原阻抗式调压室水位波动比较图，图中，横坐标是时间、单位秒，纵坐标是调压室水位、单位cm，得出水位波动较大的是原阻抗式调压室水位，波动较小的是本发明调压装置水位。

从上述水位波动实验曲线可以看出，调压室最高涌浪水位减小了13.7cm，波谷最低水位增加了12cm。

水锤压力实验从多次实测数据和曲线分析可知，安装本发明调压装置后，压力管道的水锤压力仅比安装原阻抗式调压室时略有增加，仍然可以保证高压管道和水轮发电机组的安全。

本发明自调阻尼调压装置达到了预期效果，实验中可以明显观察到阻尼球的运动规律。刚开始时，阻尼球迅速移动，打开阻抗孔口，其后回复到中间位置。

本发明利用机械弹簧装置的自动回复功能和流体阻力与流量或流速有 关的原理，首次将“水锤爆破膜”的工作原理和“阻抗式调压室”结合使用，既保留了调压室减小水锤压力、改善机组运行性能的功能，又充分利用了阻抗式调压室的优点，特别是阻抗孔口面积和阻尼双向自动可调，实现了调压室优点的最大化，缺点的最小化。

本发明可与各种形式的调压室配套使用，应用于水电站工程建设中，可以大量减小常规调压室的开挖工程量，节省工程投资，具有很好的应用推广价值。若工业供水系统采用该装置，并与压力气罐结合使用，可以有效减小压力气罐的体积，不仅方便布置，还能起到比现有调压装置更好的调压效果，具有很好的应用前景。

Claims (6)

1.一种阻尼阻抗式调压装置，包括引水管和与大气联通的调压室，其特征在于：所述调压室底部通过连接水道与引水管联通，连接水道中有可移动的阻尼球，阻尼球有阻尼弹簧限位控制；所述连接水道中部阻尼管直径小于上部上扩管和下部下扩管直径、并上下对称设置。

2.根据权利要求1所述的阻尼阻抗式调压装置，其特征在于：所述连接水道两端面有支撑架，两支撑架中心固定有沿连接水道纵向中心设置的支撑滑杆，支撑滑杆穿过阻尼球中心，阻尼球上、下两端面有阻尼弹簧。

3.根据权利要求2所述的阻尼阻抗式调压装置，其特征在于：所述阻尼球上、下两端的阻尼弹簧分别固定在两端面的支撑架上，阻尼弹簧与阻尼球接触端可分离接触或固定连接。

4.根据权利要求2所述的阻尼阻抗式调压装置，其特征在于：所述阻尼管直径与上、下扩管直径的比例是0.7～0.8。

5.根据权利要求4所述的阻尼阻抗式调压装置，其特征在于：所述阻尼管直径与上、下扩管直径的比例是0.707。

6.根据权利要求2所述的阻尼阻抗式调压装置，其特征在于：所述连接水道两端面的支撑架是连接水道径向设置的十字形支撑架。