第十章 调压室

hr 0 / hw0
1 Q0 2 hr 0 ( ) 2 g S
hr0－全部流量Q0通过阻抗孔口时的水头损失。 φ－阻抗孔流量系数，由试验得出，初步计算 时取0.6~0.8。 S －阻抗孔断面面积，为压力引水道面积的 15%~50%。
(二)计算最低涌波水位
1、丢弃全负荷后波动第二振幅计算(z2) 第二振幅z2 ：丢弃负荷后，调压室中水位先升 高至zmax，然后开始下降，至最低幅值zmin，用z2表 示，称为第二振幅。
(2)设计要点：
上、下室的底部应有不小于1%的坡度倾向竖 井，以便放空水流。 下室顶部做成背向竖井的不小于1.5%的斜坡， 使空气容易从下室逸出。
工程采用竖井与上室组合的情况较多，故又称
为水室式。
(3)适用：水头较高，要求稳定断面较小，水 库水位变化比较大的水电站。
4、溢流式调压室
由双室式调压室发展而成。 结构一：无上室，中间竖井顶部设溢流堰。 结构二：设上室，上室内竖井顶部设溢流堰， 底部与竖井相连处设出流孔口。即溢流双室调压室 (见P147图10-3(e))
其应近可能地靠近水轮机 。
(3)上下游双调压室系统：厂房的上、下游均布 置调压室。
适用：当采用中部地下厂房时，上下游都有较 长的压力水道。
(4)上游双调压室系统：上游有压引水道上布置 两个调压室。
适用：①上游引水道较长，一个调压室不能满 足要求时，设置副调压室以减小主调压室的尺寸。 ②引水道上有施工竖井可以利用，或电站扩建， 原有调压室容积不够而增加辅助调压室。
二、调压室水位波动计算内容

最高水位：决定调压室的顶部高程。
最低水位：决定底部高程及压力管道的进口 高程。
调压室波动 现象的基本 方程式
z—调压室水位，以库水位为0基准面，↑为正； hw—引水道内水头损失； hr—引水道末端至调压室水面的水头损失，包括 分岔、收缩和扩散等局部损失； f、F—分别表示引水道及调压室断面积； Q —水轮机的引用流量。
λ－“引水道-调压室”系统的特性系数 f、F分别表示引水道及调压室断面积。
hw0－流量为Q0（丢弃负荷前）上游库水位与调 压室水位之差，等于压力引水道的局部和沿程水头 损失之和再加上相应的流速水头。 v 0－流量为Q0时压力引水道的流速。
ln[1 (1 ) xmax ] (1 ) xmax ln[1 (1 ) x0 ] (1 ) x0 (10-11)
x 0 ln(1 x max ) x max (10-12)
x0 hw0 / ，xmax zmax /
圆筒式
阻抗式
x 0 ln(1 x max ) x max (10-12)
x0 hw0 / ，xmax zmax /
2 Lfv 0 2 gFhw0
二、调压室的基本类型
调压室设置的总的规律为：调压室与压力引水系 统接触面积越大，反射水锤效果越好，但发电水头损 失越大，调压室内水位波动振幅也越大。
1、简单圆筒式调压室
断面尺寸形状不变。 (1)特点：结构简单，反射水锤效果好，但水 位波动振幅较大，衰减较慢，水头损失大。 改进：可采用有联接管的圆筒式调压室，如图 10-3(b)，联接管的断面积不小于引水道的断面积。 (2)适用：低水头小流量电站。
(3) 多设在临近山坡处，且避开不利地质条件。
10.3 调压室的布置方式及类型
一、调压室的基本布置方式
(1)上游调压室(引水调压室)：调压室位于厂房 上游的有压引水道上。适用于厂房上游有压引水道 较长，应用最广泛。
(2)下游调压室(尾水调压室)：调压室位于厂房 下游的尾水洞上。适用于尾水隧洞较长。
(4) 调压室与引水道连接处引水道水流的水头损 失小。为此与压力管道连接处的调压室底部断面小。
调压室的投资(土建投资) 几乎占引水系统投资 的1/4-1/5，因此是否设置调压室，必须在电站调节 保证计算及电站稳定运行综合分析的基础上，并考 虑水电站在电力系统中的作用、地形及地质条件、 压力管道的布置等因素，进行技术经济比较分析。
H V yb H 0 H s (8 )m 2g 900 V
2 wj
HV—尾水管内压力水头,m； ΔH—尾水管入口处的水锤值，求解过程见第九 章，m； φ—末相水锤取0.5，第一相水锤取1.0；
二、调压室位置的选择
(1) 应尽可能靠近厂房。 (2) 考虑到结构安全可靠，宜设在地下。 受限制调压室需部分或全部设在地面时，需进 行综合技术经济比较，并满足机组调保计算要求。
2、阻抗式调压室
将圆筒式调压室底部改为阻抗孔口。阻抗孔口 面积为15%~50%压力引水道面积。 (1)适用：中水头和引水道长度不大的电站。
(2)特点：可有效减小水位波动的振幅，加快衰 减速度，水头损失小。
但因阻抗存在，水锤波不能完全反射，压力引 水道中可能受到水锤的影响。
3、双室式调压室
(1)组成：上室、下室、竖井。 ①上室：储水用，正常运行时是空的，底部高 程在水库最高静水位以上。 ②下室：补水用，正常运行时充满水，底部高 程在调压室中最低静水位以下。

顶盖：常设在调压井顶部。 主要为了防寒和防止外物落入。 当调压井内设快速闸门时，顶 盖上要放置启闭设备。

(2)特点：吸收了阻抗式和溢流式的优点。
图10-3(g)是差动式调压室的另一种形式，但这 种调压室结构复杂，造价高。
(3)适用：适用地形、地质条件不允许大断面 及距离地面较深的调压室时的中高水头水电站。它 是我国比较广泛采用的一种调压室。
5、差动式调压室
由两个直径不同的同心圆筒组成。 外面的圆筒称为大井；中间的圆筒顶部设有溢 流堰，称为升管，其底部以阻抗孔口与大井相通。
大井：岩石中开挖的直井，内壁作钢筋砼衬 砌。衬砌厚度一般50-120cm。注意防渗漏。 底板：设在弹性岩石地基上的钢筋砼圆板或 环形板，大井衬砌与底板通常采用刚性连接。 升管：孤立在大井内的钢筋混凝土小井筒， 升管与大井之间应设置横向支撑。
二、调压室的设置条件
1、上游调压室的设置条件 初步分析时，由水流加速时间(压力引水道的惯 性时间常数)Tw判断：
Tw
L V T
i i
gH p
w
(6-1)
Li—压力引水道(包括蜗壳和尾水管)各段之长度； Vi—上述各段水道相应的流速； g—重力加速度； Hp—水轮机的设计水头； [Tw ]—Tw的允许值，一般取2~4s。
死水位ZBiblioteka Zm曲线2Zn
V f L
Z
Z—调压室水位，以库水 位为0基准面，↑为正；
3、计算结果
(1) 阻抗式调压室(阻抗系数为η)
ln[1 (1 ) xmax ] (1 ) xmax ln[1 (1 ) x0 ] (1 ) x0 (10-11)
(2)圆筒式调压室(η=0)
2、下游调压室的设置条件
尾水调压室的功用是缩短尾水道的长度，减小 甩负荷时尾水管中的真空度，防止水柱分离。 以尾水管内不产生液柱分离为前提，条件为：
Lw 5Ts (8 Hs ) Vw0 900 2 g
2 Vwj
5Ts Lw (8 Hs ) Vw0 900 2 g
(1) 阻抗式调压室
ln[1 (1 ) xmax ] (1 ) xmax ln[1 (1 ) x2 ] (1 ) x2 (10-14)
(2)圆筒式调压室
xmax ln(1 xmax ) ln(1 x2 ) x2 (10-15)
x2 z 2 /
第十章 调压室
10.1 调压室的作用及工作原理
一、概念：所谓调压室实际上是一个具有自由 水面的筒式或井式建筑物。设置在地面上的称为调 压塔，地下的称为调压井。
调压井
调压塔
调压室的水位波动与压力管道中的水锤现象区别：
前者由水位的往复运动引起，振幅小，变化慢， 周期长，达几十至几百秒。后者振幅大、变化快， 往往在几秒钟内消失。 当调压室水位到达最高水位之前，水锤压力早 已衰减消失，两者最大值一般不会出现。 故分析水锤过程时，可不考虑调压室水位波动 的影响；而在求算调压室水位波动时，常忽略水锤 波穿过调压室传至引水道，即所谓“水锤穿室”影 响。
(1)Tw物理意义：在Hd作用下，不计水头损失时， 管道内水流速度从0增大到V所需的时间。 显然，Tw越大，水锤压力的相对值也越大，对 机组调节过程的影响也越大(开启阀门的情况)。
(2)[Tw] 我国调压室设计规范规定 ①水电站单独运行时，或容量在电力系统中所 占的比例超过50%时，[Tw]取1.5~2s。 ②水电站容量在电力系统中所占比重为 20%~50%时，[Tw]取2.5~3.5s。 ③当水电站容量在电力系统中 T LiVi T w w gH p 的比重小于20%时， [Tw]取3.5~5s。
6、气垫式或半气垫式调压室
(1)组成： 气垫式调压室：在压力隧洞靠近厂房的位置建 造一个大洞室，一般为圆形，狭而高。在密闭的室 中一部分充水，另一部分充满高压空气
半气垫式调压室：在气垫式调压室的基础上， 有一小断面的通气孔与大气相通。
气垫式 半气垫式
(2)特点：在水位波动过程中，通过气体压缩 或膨胀，促使压力隧洞中的水流减速或加速。
2 Vwj
Lw—压力尾水道长度； Ts—导叶有效关闭时间，s； Vw0—稳定运行时尾水道流速； Vwj—尾水管入口处流速； ▽—安装高程； Hs—吸出高，m 。
安装 高程
安装 高程
水轮机吸出高的安装高程示意图
最终通过调节保证计算，当机组丢弃全部负 荷时，尾水管内的最大真空度不宜大于8m水柱。 但在高海拔地区应作高程修正(见规范)。
调压室波动 现象的基本 方程式
解析法简单，可直接求出最高和最低水位，但 公式推导过程中引入了各种假定，故精度较差，不 能求出水位波动的全过程，在初步拟定调压尺寸时 采用。
(一)计算最高涌波水位
1、相应工况：最高库水位丢弃全负荷。 2、计算方法：假定瞬时突然丢弃全负荷，即 Q0瞬时降为0。
曲线1 正常高水位
当调压室水位到达最高水位 之前，水锤压力早已衰减消失， 两者最大值一般不会出现。
10.2 调压室的设置条件及位置选择
一、调压室的基本要求 (1)应有自由水面和足够的底面积。以保证水锤 波充分反射。 (2)内水位波动都是逐渐衰减的，且越快越好。
(3) 调压室内波动振幅小，频率低。可减小调压 室的高度，并有利机组运行。
这种形式可尽量靠近厂房布置，大大减小水锤 压力。由于反射水锤波有利，压力变化较缓慢，对 水轮机调节较容易。
气垫式
半气垫式
(3)适用：深埋于地下的引水道式地下水电站。 水头越高，经济性越好，目前我国尚未采用。
气垫式 半气垫式
气垫式与常规调压室的比较
10.4 调压室水位波动计算
一、目的
求出最高涌波水位和最低涌波水位以及水位波 动变化过程，从而确定调压室的尺寸和水位波动的 周期及衰减程度。
2 Lfv 0 2 / hw0 2 gFhw0
(10-15)
为无因次系数，表示“引 水道—调压室”系统特性。
z min hw0
1 ( 0.275 m 0.05 / 0.9)(1 m)(1 m / 0.62 )
目的是使问题简化，只有在必要的情况下才进 行联合分析。
二、调压室的功用(讲过了) 反射水锤波、 缩短了压力管道的长度、改善机 组运行条件。
调压室
三、调压室的工作原理
引水道-调压室水位波动现象的研究目的：确定 调压室的断面和高度。
引水道-调压室系统不稳定流的特点：大量水体 的往复运动，其周期较长，伴随着水体运动，引水 道内有不大的和较缓慢的压力变化，其特点与水锤 不同。
为简便计算，各种调压室的最高涌波水位计算 均可查规范中的曲线求得。
x0
x
2、增加负荷时的最低涌波水位zmin
设水电站的流量由mQ0增加到Q0(m<1，称为 负荷系数)： (1) 圆筒式调压室：按照Vogt(福格特)公式计 算zmin：
z min hw0 1 ( 0.275 m 0.05 / 0.9)(1 m)(1 m / 0.62 )