[发明专利]一种水电站调压室临界稳定断面的计算方法

权利要求书

1.一种水电站调压室临界稳定断面的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：当认为隧洞和调压室内水体都是不可压缩的刚性水体，则由水的连续性可得水流连续性方程，即水轮机引用流量Q、引水隧洞中流量Q_T和进出调压室流量Q_S之间的关系模型；

步骤2：取上游水库水表面断面1-1和调压室水表面断面4-4之间的水体为控制体，忽略上游水库水表面断面1-1和调压室水表面断面4-4处的大气压差异，以及断面1-1的流速水头，根据动量定理可得调压室水位Z_S与引水隧洞中的水体动量变化率之间的函数关系；

步骤3：认为当水轮机流量和水头变化较小时，调速器能迅速动作，以保证水轮机出力不变，并认为调节过程中水轮机效率保持不变，得到调速器方程，即水轮机引用流量Q与调压室水位Z_S、断面流速水头h_v、阻抗连接管顶部断面5-5和压力钢管进口断面3-3之间的局部水头损失h_5-3以及调压室下游压力管道的总水头损失h_m之间的函数关系；

步骤4：联立水流连续性方程、调压室水位Z_S与引水隧洞中的水体动量变化率之间的函数关系、调速器方程，并忽略水轮机引用流量变化量ΔQ和引水隧洞中断面平均流速变化量ΔV_T的二次微量，得到关于调压室水位微小变化量x的二阶线性齐次微分方程；

步骤5：根据霍尔维茨稳定判据，获得考虑阻抗孔和调压室底部流速水头影响的水电站调压室临界稳定断面面积[A_S]的表达式；当设计的调压室断面面积A_S＞[A_S]时，则认为调压室水位波动是稳定的。

2.根据权利要求1所述的一种水电站调压室临界稳定断面的计算方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：

取调压室水表面断面4-4和阻抗连接管顶部断面5-5之间水体为控制体，根据动量定理有：

式中：等式左边第一、二项分别为断面4-4和5-5的表面压力；等式左边第三、四项分别为调压室内水体重力和壁面摩擦力；ρL_SA_SV_S＝ρL_SQ_S为调压室内水体动量项；其中：P₄和P₅分别为调压室水面和底面压强，Pa；A₄＝A₅＝A_S；A_S为调压室断面面积，m²；L_S为调压室水深，m；Q_S为进出调压室的流量，m³/s；V_S为调压室内水流速度，m/s；τ₀＝ρf_SV_S²/8＝ρf_SQ_S²/(8A_S²)为切应力，Pa；f_S为调压室沿程损失系数；D_S为调压室断面直径，m；ρ为水的密度，kg/m³；t为时间，s；g为重力加速度，m/s²；

将A₄＝A₅＝A_S和τ₀＝ρf_SQ_S²/(8A_S²)代入式(1)可得：

在式(2)两边同时除以ρgA_S，移项整理得：

由于存在L_S＝Z₄-Z₅，并将断面4-4和5-5的总水头H₄＝Z₄+P₄/(ρg)+h_v4、H₅＝Z₅+P₅/(ρg)+h_v5及h_v4＝h_v5＝h_v代入式(3)有：

式中：H₄和H₅分别为断面4-4和5-5的总水头，m；Z₄和Z₅分别为断面4-4和5-5的位置高程，m；为断面流速水头，m；α_v＝k/2g为速头系数，其中k为动能修正系数，取为0.7～1.0；

若取上库断面1-1和调压室断面4-4之间水体为控制体，此时上库和调压室之间可看作连通管，可得引水隧洞和调压室的动量方程有：

式中：L_T为引水隧洞的长度，m；Q_T为引水隧洞中的流量，m³/s；H₁为上库断面1-1的总水头，m；h_w为引水隧洞水头损失，m；h_2-5为断面2-2和5-5之间的局部水头损失，m；

由于存在L_T＞＞L_S和A_S＞A_T，将H₁＝Z₁+P₁/(ρg)+h_v1代入式(5)，并忽略上库断面1-1和调压室断面4-4处的大气压差异和断面1-1的流速水头，并忽略微量V_S的二次方项，则上式可化简为：

式中：Z_S为调压室水位离开上库静水位的距离，向下为正。