[发明专利]用于水电站坝的可调堤堰

说明书

技术领域

本发明涉及用于水电站的堤坝装置。更加特别地，本发明涉及控制水 电站坝中通过轮机的水流。

背景技术

用于水电站的驱动能量通常包括在河流或其他河道系统上建造堤坝而 形成的水库，通过从水库接受沟槽形河源流动的轮机进行驱动的至少一个 发电机，用于失去效能的水从轮机流回到河流或河道系统的下游排放系 统。在这种装置中产生的电量受堤坝中进水立管的水高度的直接影响，该 进水立管将从导水管(penstock)输送的水送给轮机。一般来说，在建造 过程中增加堤坝的高度可以安装更高的进水立管，由此将更高的水柱输送 给轮机。水柱底部通常由水库的底面限定。正是通过在水从柱顶到柱底垂 直下降过程中水容量的重量产生的压力来确定驱动轮机的力。轮机通常位 于水柱底部或其附近。提供给轮机的水的垂直落差通常称为堤坝的“水 头”。输送到轮机的水压可通过选择进水立管和水渠的直径进行控制，以 及通过流入进水立管的水相对将水输送给的轮机定位的高度进行控制。保 持堤坝水库中充足的水量取决于上游河道中的水流入堤坝的流速，以及给 上游河道提供水的雨、雪和融雪水的年降水量。延长峰值发电量的周期可 通过从堤坝放水路(tailrace)进入邻近堤坝的尾水池的高排放量的失去 效能的水来实现，并常常导致尾水池中的下游水位升高超过轮机装置的水 平，由此直接导致发电量的降低。本领域技术人员应该理解，从最上面的 立管进水口到邻近堤坝的尾水池中的下游水位的水柱距离被称为堤坝的 “净水头”，其中背压是有影响的，以及该“净水头”是输送到轮机的驱 动力的主要决定因素，因此“净水头”的高度直接影响水力发电。在每个 立管上设置多个垂直定位的进水口能够在水库中的水位在长期的干涸和/ 或干旱时期下降时将水输送给轮机。

当轮机空转的低发电量时期或在长期的干涸或干旱时期，与水力发电 相关的另一个问题是进入轮机的水压的减小会导致更少量的水从放水路流 入下游河道。通常的结果是，下游水位下降到一部分或所有放水路都暴露 在大气中的位置，由此使空气通过放水路基础结构进入轮机，从而使轮机 在水输送-流出基础结构内产生气蚀。高速旋转的轮机叶片使来自放水路 的空气和从水库流入的水混合，从而导致多个局部增强的低压区(即真空 压力)，包括围绕轮机叶片和轴旋转的气泡。这些气泡会剧烈地破裂同时 发出冲击波，以物理的方式冲击周围的固体表面，经过较长的时期或气蚀 作用，最初会导致叶片表面上形式为坑道和磨损的微小损坏，然后可能尺 寸增大在叶片中形成孔隙，并导致用于成形叶片和轮机轴的材料疲劳。这 样损坏的轮机必须被替换，以便防止严重的设备失常和故障，这可能使水 电站不能工作直到进行维修。

现有技术公开了几种策略用于在不必增大堤坝的高度的情况下增大堤 坝的有效水头，以及响应堤坝上游的季节水流波动控制放水路中的水位。 美国专利No.4,014,173公开了在不透水的坑道处安装驱动发电机的轮机， 该坑道大体上低于尾水的河床高度，然后通过本领域技术人员熟知的自激 励脉冲泵作为压力扬吸机(hydraulic ram)连续地排出从轮机排放的水。 该压力扬吸机优选安装在位于轮机机坑下游的第二不透水的坑道处，并通 过地下管道基础结构与轮机机坑相互连接。该173’系统所需的复杂结构 不适合于许多适合于安装水电站的地形。此外，轮机和压力扬吸机坑道的 设计和配置对保养、维修和替换工作的实现施加了种种限制。GB700,320 公开了一种在建造水电站坝过程中安装在水轮机放水路中的可调节堤堰， 其目的是使放水路中的水位保持足够的高，从而防止轮机处的气蚀。该可 调节堤堰由一装置响应放水路中的水位以这样一种方式自动控制，使得只 要水位不下降到低于预定的最低水平就使堤堰保持低于和在从轮机流出的 水流之外。如果水流下降低于最低水平，则升高可调节堤堰挡起放水路中 的水，由此使水位升高超过防止气蚀所需的最低水平。该‘320的可调节 堤堰设计成持续浸没在放水路水流中并因此存在一些操作性的问题，包 括：(1)由于被持续浸没而磨损和侵蚀，因此容易使可调节堤堰的个别 元件或装置本身发生故障，(2)难以实现水下保养和维修，和(3) ‘320的堤堰不能容许碎石，即任何回冲洗的底部冲刷如石头、树枝和其 他浸水的碎石将阻塞堤堰并和其操作相干涉。

发明内容