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调压室水力试验


水电站实验——调压室水力试验

目录
一、实验目的................................................................................................................................ 2 二、实验任务与要求...........

......................................................................................................... 2 三、实验设备及模型数据............................................................................................................ 2 四、实验成果................................................................................................................................ 3 问题 1:描述实验观察到的阻抗式和差动式调压室中的水力现象......................... 3 问题 2: 根据阻抗式调压室模型数据用解析法求出上水箱为高水位丢荷后调压室的 最高水位,并与实验成果比较............................................................................................ 4 问题 3:比较差动式和阻抗式在同一实验情况时观察到的水力现象..................... 6 问题 4:在引用流量相同的情况下,比较不同引水管长度对阻抗式调压室水力现象 的影响.................................................................................................................................... 8 问题 5:比较不同阻抗孔口面积对差动式调压室水力现象的影响......................... 9

五、 实验的收获与不足................................................................................................................. 9

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水电站实验——调压室水力试验

实验三
一、实验目的

调压室水力实验

1、增强对调压室水力现象的感性认识,验证和巩固理论知识。 2、初步了解进行水电站水力模型实验的方法。 3、密切理论和实践的联系,培养运用所学理论知识分析实际问题的能力。

二、实验任务与要求
利用调压室实验台阻抗式调压室和差动式调压室进行下列实验: 1、观察并记录上水箱的高水位 149cm 时,流量由满负荷突然减少至零(相当于水电站 正常水位丢弃全部负荷)阻抗式和差动式调压室中水位波动过程及稳定所需要的时间。 2、观察并记录上水箱的低水位 145cm 时,流量由零突然增至满负荷(相当于水电站死 水位增加部分负荷情况) 及丢弃全部负荷第二振幅涌浪水位, 阻抗式和差动式调压室中 水位波动过程中全部水力现象,以确定其最低涌浪水位,水位稳定所需要的时间,观察 调压室内水位波动衰减过程。 3、观察并记录不同管道长度以及不同阻抗孔面积对调压室水位波动幅值得影响。

三、实验设备及模型数据
1、实验设备 调压室水力模型由上水箱、管道、调压室、阀门、电磁流量计、下水箱及循环泵组成。 水由上水箱经水管引至调压室,并经调压室后由水管引至电磁流量计最后流入下水箱, 由水泵抽水至上水箱形成循环。 在回水管道上设有手动快速阀门及尾水闸阀, 前者用以快速 改变水管流量使调压室中水位产生波动,后者用以调节流量以满足实验要求。 在调压室的大室壁及升管上设有标尺, 可直接读出水位波动的最高和最低值, 以及引水 管道至调压室的水头损失 hw , 波动稳定时间可用秒表测定。

调压室水位波动过程中的最高水位、 最低水位以及上下两个水箱中的水位, 都可以通过 固定在相应位置的标尺, 用目测方法人工记录。 调压室水位波动过程线和管道中的流量可由 计算机数据采集系统完成,过程如下:LGY-3A 型浪高仪将调压室水位的波动过程变成电压 信号送到计算机数据采集系统,LDZ-4B 型电磁流量计将输水管引用流量转换成电压信号送 至计算机,计算机数据采集系统自动记录这些信号,并存储到硬盘中,供分析使用。 在完成实验前的所有准备工作后,进入试验程序。其步骤如下: a、开启计算机,双击桌面上“实验台程序”图标; b、进入“河海大学水电站非恒定流实验数据采集系统”界面; c、点击鼠标进入“传感器初始状态检测”界面; d、界面右下方依次显示“重现”“退出”“调零”“确定”四个按钮,点击“确定” 、 、 、 按钮;
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水电站实验——调压室水力试验

e、弹出“进入实时测量”和“传感器标定”界面,选择“进入实时测量” ,点击“确定” 按钮; f、在弹出的界面中选择本次试验所需用到的传感器,并选择所有传感器是否在同一坐 标显示,点击“确定”按钮; g、在弹出的界面中粗鲁“文件名”“采样时间”和“最大水头” 、 ,点击确定,在弹出的 界面中显示“将覆盖上次同名数据文件”点击“确定”按钮进入测量过程。 2、数据模型 (1)引水管 阻抗式调压室引水管长度:短管 L1=170cm,长管 L2=370cm; 差动式调压室引水管长度:短管 L1=170cm,长管 L2=370cm; 引水管内径 d=5cm (2)调压室 阻抗式调压室内劲 D1=10cm 差动式调压室大室内径 D1=10cm;差动式调压室升管内径 d=5cm 差动式调压室升管高度 Z=58.5cm (3)调压室水力模型数据 水位: (高水位)上水箱水位 149 cm,下水箱水位 0 cm (低水位)上水箱水位 145 cm,下水箱水位 0 cm 流量: 水泵额定流量 5 m / h ,每次试验根据电磁流量计读数求出通过引水道流量。
3

四、实验成果
问题 1:描述实验观察到的阻抗式和差动式调压室中的水力现象。
阻抗式调压室: 1、当流量突然减少为 0 时,调压室水位迅速上升,到最高点后开始下降,下降到最低点 后调压室水位又上升,上升到次高点后再下降,反复循环,调压室水位上下进行波动,但振 幅随时间而减小,最后调压室水位稳定上水箱水位附近处。 2、当流量突然由 0 增大至最大时,调压室水位迅速下降到最低点,而后以很小的振幅 上下波动,直至趋于稳定。 差动式调压室: 1、当流量突然减少为 0 时,开始升管水位迅速上升,大室水位也较快上升,但落后于 升管水位,升管和大室间形成水位差,升管水位超过溢流顶时,水体溢入大室,大室水位迅 速上升,最后与升管水位齐平,而后两者水位一同上升至最高点,接着水位开始下降,到最 低点水位后又上升,调压室水位上下进行波动,但振幅随时间而减小,最后调压室水位稳定 在在上水箱水位附近处。 2、当流量突然由 0 增大至最大时,升管水位与大室水位均迅速降低,但升管水位下降 速度较大室快,最后两者水位齐平下降到最低点,此后水位又回升、下降,以很小的振幅上 下波动,直至趋于稳定。
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水电站实验——调压室水力试验

问题 2: 根据阻抗式调压室模型数据用解析法求出上水箱为高水位丢荷后调 压室的最高水位,并与实验成果比较。
1、阻抗式短管高水位甩荷计算: ① 计算过程:

上库水 位 149 cm

调压室初 始水位 131.501 cm

流量

电磁流量 计读数 79.038%

引水道 管长 170 cm

水头损失
hw 0

阻抗孔 直径 5 cm

调压室 直径 10 cm

引水道 直径 5 cm

5 m3 / h

17.499 cm

引水道流量 Q0 =5*0.79038=3.9519 m 3 / h ;引水道面积 A=3.14159*5*5/4=19.635 cm ; 引水道流速 V= Q0 /A=3.9519/(3600*19.635)*10000=0.5591 m / s ; f b ? f ; 由《水工设计手册 7——水电站建筑物》可以查出:阻抗系数 ? ? 1.7 ;

2

2 v 0.5591 hc 0 ? ? 0 ? 1.7 ? ? 0.02709 ;? ? hc0 hw0 ? 2.709/ 17.499 ? 0.1548; m 2g 2 ? 9.81

2

2 2 ? ? LfV02 gF hw02 ? 1.7 ?1.9635?10?3 ? 0.5591 /(9.81? 7.8540?10?3 ? 0.17499 ) ? 0.4423

X 0 ? 2 ? 4.522; S0 ? ?hw0 2 ? 0.0387; X ? Z S0

?

由公式: ln[ ? (1 ?? ) X m ] ? (1 ?? ) X m ? ln[ ? (1 ?? )?X 0 ] ? (1 ?? ) X 0 试算得: 1 1

xmax ? ?0.8656,故 Zmax ? xmax ? S0 ? ?0.8656? 0.0387?102 ? ?3.350cm
计算得阻抗式短管高水位甩荷时调压室最高水位=149+3.350=152.350cm

② 分析与结论 实验测得的最高水位=154.454cm

相对误差=

152.350? 154.454 ?100% ? 1.381% 152.350

结论:实验算出来的调压室最高水位与理论计算出来的比较接近,说明实验结果合理。

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水电站实验——调压室水力试验

2、阻抗式长管高水位甩荷计算: ① 计算过程:

上库水 位 149 cm

调压室初始 水位 128.501 cm

流量

电磁流量 计读数 76.019%

引水道 管长 370 cm

水头损失
hw 0

阻抗孔 调压室 直径 直径 5 cm 10 cm

引水道 直径 5 cm

5 m3 / h

20.499 cm

引水道流量 Q0 =5*0.76019=3.80095 m 3 / h ;引水道面积 A=3.14159*5*5/4=19.635 cm ; 引水道流速 V= Q0 /A=3.80095/(3600*19.635)*10000=0.5377 m / s ; f b ? f ; 由《水工设计手册 7——水电站建筑物》可以查出:阻抗系数 ? ? 1.7 ;

2

hc 0 ? ?

v0 0.53772 ? 1.7 ? ? 0.02505 ;? ? hc0 hw0 ? 2.505/ 20.499 ? 0.1222; m 2g 2 ? 9.81

2

2 ? ? LfV02 gF hw02 ? 3.7 ?1.9635?10?3 ? 0.53772 /(9.81? 7.8540?10?3 ? 0.20499 ) ? 0.6488

X 0 ? 2 ? 3.0826; S0 ? ?hw0 2 ? 0.0665; X ? Z S0

?

由公式: ln[ ? (1 ?? ) X m ] ? (1 ?? ) X m ? ln[ ? (1 ?? )?X 0 ] ? (1 ?? ) X 0 试算得: 1 1

xmax ? ?0.8851,故 Zmax ? xmax ? S0 ? ?0.8851 0.0665?102 ? ?5.886cm ?
计算得阻抗式长管高水位甩荷时调压室最高水位=149+5.886=154.886cm

② 分析与结论 实验测得的最高水位=156.578cm

相对误差=

154.886? 156.578 ?100% ? 1.092% 154.886

结论:实验算出来的调压室最高水位与理论计算出来的比较接近,说明实验结果合理。

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问题 3:比较差动式和阻抗式在同一实验情况时观察到的水力现象。 1、甩荷时:

图1

图2 同一实验情况下,如图 1 和图 2,即均为短管、上库为低水位情况下,差动式调压室最 高水位为 152.807cm,最低水位为 143.582cm,最大振幅为 9.255cm;阻抗式调压室最高水 位 148.455cm,最低水位为 140.702cm,最大振幅为 7.753cm。 因此在同一实情况下验下, 差动式调压室最高水位较阻抗式调压室大, 最低水位虽然也 大于阻抗式调压室最低水位, 但是差动式调压室的最大振幅较阻抗式大, 即差动式调压室水 位波动明显,但是差动式波动稳定时间较差动式短。 我们看到差动式调压室的稳定水位较阻抗式调压室高, 分析如下: 差动式调压室起调水 位 133.0cm,稳定水位为 147.3cm,调差为 14.3cm;阻抗式调压室水位 127.9cm,稳定水位 为 144.1cm,调差为 16.2cm。由以上数据可以看出,甩荷后,一部分流量进入调压室,一部 分流量流往上游水库,但是进入差动式调压室储存的流量更少,流向上库的更多,上库多余 的水量从溢流堰泄往下水库,由于流量大,过堰流速也大,流速水头也较高,因此差动式调 压室的稳定水位也较高,调压室稳定后水流不流动,无水头损失,故调压室水位稳定在上库 水位处。

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水电站实验——调压室水力试验

2、增荷时(在图 1、图 2 实验水位稳定后增加负荷) :

图3

图4

同一实验情况下,如图 3 和图 4,即均为短管、上库为低水位情况下,可以看出差动式 调压室水位有明显的小波动,阻抗式水位波动不明显,且差动式波动稳定时间较差动式短。 由图还可以看出,增荷时两个调压室水位快速下降,之后没有明显的波动,本人分析如 下:增荷时,压力管道流量由调压室流量和引水道流量共同补给,刚开始时,由于上游进水 口到阀门处有一段距离,阀门处流量主要由调压室补充,故调压室水位迅速下降,而后形成 上下游水位差,进水口管道开始补水,由于管长较短,调压室水位还未下降到最低水位,压 力管道流量就可由上库补充, 此后调压室流量下降速度减慢, 直到调压室水位比上库水位低 一个值,该值为进口段到调压室的水头损失,此后由于上库水位和调压室无水位差,故波动 不明显或者形成很小的波动。

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水电站实验——调压室水力试验

问题 4:在引用流量相同的情况下,比较不同引水管长度对阻抗式调压室水 力现象的影响。

图5

图6 同一实验情况下,如图 5 和图 6,即均为引水量流量相同、上库为低水位情况下,阻抗 式调压室(长管)最高水位为 150.545cm,最低水位为 139.118cm,最大振幅为 11.427cm; 阻抗式调压室(短管)最高水位 148.455cm,最低水位为 140.702cm,最大振幅为 7.753cm。 这是因为引水管道越长,水锤发生反射的时间越长,因此管长越长,调压室水位上升的 最大水位越高,最低水位越低,最大振幅越大,其水位达到稳定的时间也越长。

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水电站实验——调压室水力试验

问题 5:比较不同阻抗孔口面积对差动式调压室水力现象的影响。
实验中的差动式调压室的阻抗口面积为固定值, 无法描述其水力现象。 但从理论上分析 如下:阻抗口面积会影响差动式调压室的最高和最低水位,如果阻抗口太小,会使得升管停 止溢流后,大室水位仍未达到升管顶部,不能充分发挥大室的作用;反之,若阻抗口面积太 大,大室会过早蓄满,升管被淹没,从而失去升管限制水位上升的作用,此后水位上升,其 工作情况相当于一个简单圆管调压室。

五、实验的收获与不足
1、甩荷时,实验中发现调压室水位在上库水位之上,这是由于实验模型的上库面积不 够大,以致引水道流量流向上库时上库水位上升。而实际工程中,上库的面积都很大,引水 道流量流向上库基本不改变上库水位,故实际中,调压室的稳定水位与上库水位同高。 2、调压室的最高水位是修建调压室高度的依据, 由解析法算调压室最高水位比较方便, 但由于水头损失等因素无法精确测得, 故精确度无法保证。 故解析法常用以初步决定调压室 的尺寸,之后还需进一步验证调压室尺寸是否满足要求。 3、通过实验,对差动式调压室和阻抗式调压室水位波动有了较为深刻的认识,以及引 水道管长对调压室波动的影响。 4、为了保证实验的可靠性,除了计算机采集的数据外还应该保证有人工测量的数据, 以供分析实验时比较,如若相差过大,应采用人工读数或者检查实验设备后重新实验,这样 才能保证实验的准确性和可靠性。 5、刚开始做实验时比较着急,如做阻抗式调压室在高水位甩荷的实验时,未能等到调 压室水位波动稳定时即开始下一次的实验,以致于后来分析实验时无法比较不同调压室类 型、不同工况下调压室稳定的时间。不过后来的实验有测得波动稳定时间。 6、由于实验经验不足, 导致后期处理数据时有许多问题, 在用解析法计算最高水位时, 根据规范上大致选择了一个阻抗系数ξ , 而实际应该通过试算和验证, 求出符合该实验装置 的阻抗系数ξ ,由于时间关系,这一步也没进行计算,希望下次实验能做得更好。

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