專利名稱：水力發(fā)電引水管壓力脈動消除法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可徹底消除水力發(fā)電引水管壓力脈動技術方案，尤其是高壩水力發(fā)電更是必不可少。
背景技術：
水輪運動過程中有時會出現(xiàn)水流壓力脈動。目前公認的水力學認為壓力脈動是由于水流速度過高 弓l起的?，F(xiàn)有壓力脈動消除法是針對流速而采用加大引水管道降低水流速度的辦法，或是水輪葉的斜 度片數(shù)等作有益改進使壓力脈動消除或下降到水輪機可接受的范圍，但這些方法仍無法徹底消除脈 動，有一定適用范圍。 一直以來水力發(fā)電產(chǎn)生的壓力脈動被視為世界級的技術難題。

發(fā)明內(nèi)容
為了能徹底消除威力脈動，保證水輪機在任何水位安全運行，本發(fā)明提出一套全新的水力學理論， 并據(jù)此推出可徹底消除壓力脈動的技術方案。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的理論和技術方案是在低速物理現(xiàn)象中非脈動的作用力以脈動的 方式表現(xiàn)出來其關鍵就是物體慣性作用和此消彼長的作用力變化。如左右搖擺的吊錘，其左右向作用 力此消彼長，其慣性運動起到轉換，積壓作用力的作用。而水力發(fā)電產(chǎn)生的壓力脈動亦與此類同。
為了便于解釋可用以下實驗作說明。首先將一條幾十米長的硬質(zhì)水管水平方向擺放，再向水管的 一頭輸入髙壓力水，使水從管道內(nèi)高速流過。結果無論水流速度多高都沒有產(chǎn)生壓力脈動。再將這條 硬質(zhì)水管吊起一頭向上一頭向下，垂直方向擺放，向上的一頭插入大漏斗的出水內(nèi)，再向漏斗內(nèi)不斷 加水，斗內(nèi)保持有水。結果管內(nèi)水流發(fā)生明顯壓力脈動。由此說明，壓力脈動與流速無關。再將管道 下端堵住另開一小洞，水流的壓力脈動消失。漏斗內(nèi)的消水速度并無太大變化。再將這條硬管撤走， 觀察漏斗下的水流，其流徑由大變小，水流速度不斷加快，之后散成水花。如果改用粘稠度較大的機 油作實驗，可看到更長的流柱，上大下小，尾部細如絲線，且沒有壓力脈動。而管內(nèi)出現(xiàn)壓力脈動都 是管內(nèi)出現(xiàn)負壓，大氣壓產(chǎn)生向上推力和慣性共同作用的緣故。在準備發(fā)電時先將引水管道灌滿水排20
凈空氣，才打開導板發(fā)電。水流在管道內(nèi)越是往下水流速度越快流徑亦隨之變小而出現(xiàn)負 壓。只要管道出現(xiàn)負壓，大氣壓就會對管道的入口和出口起作用，使管道的負壓區(qū)壓力回 升，同時大氣壓作用隨之減弱，之后又因流速加快流徑就小而產(chǎn)生負壓……。就這樣反反 復復形成壓力脈動，水流的慣性起到擴大脈動幅度的作用使其暫時找不到平衡點。而水流 可將其向平衡點靠攏的努力全部沖走。如果入水口較深亦可使負壓區(qū)出現(xiàn)的高度向下移。 比如入水口在水面下50米，那么在入水口垂直向下50米的管道內(nèi)不會有負壓區(qū)。那么安 裝水輪機在垂直距離入水口 50米內(nèi)就不會出現(xiàn)壓力脈動。但隨著水位下降負壓區(qū)的起點 就會隨之上移，使管內(nèi)水流出現(xiàn)壓力脈動，壓力脈動可分為兩個等級，即直空脈動和非直 空脈動。大氣壓等于10米水柱，向下加壓10米，向上減速10米，大氣壓可使垂直髙度 20米內(nèi)管內(nèi)水流滿管而不出現(xiàn)真空脈動。如果入水口深度是50米加上大氣壓作用20米， 那么在入水口垂直向下50米后會出現(xiàn)非真空脈動。垂直向下70米后出現(xiàn)真空脈動和混亂 水流并可能產(chǎn)生汽蝕。如果有尾水管的吸拉，真空脈動區(qū)就會上移。
在自來水管道偶然出現(xiàn)的壓力脈動是因為水流經(jīng)過未全開的水閥或被分流后出現(xiàn)差 異較大的低速和高速水流，而高速水流帶動力超過大氣壓力而出現(xiàn)脈動，這是題外話，這 里不多作解釋。
由以上實驗和理論得出以下解決壓力脈動的技術方案，造成壓力脈動的幾個關鍵因素 是大氣壓、慣性、水流加速引起的流徑變小與管徑無變化共同作用引起的負壓和真空。這 幾個要素只要消除其中一個就能消除壓力脈動，也只有最后一個要素是可消除的。解決方 法是將引水管設計成上大下小，管道由上至下逐步縮小，使管徑始終等于管內(nèi)水流流徑。 這樣管道內(nèi)就無法產(chǎn)生負壓，流量也不會減少，也不會有壓力脈動，適用于沖擊式水輪機。 此方案需測定不同的垂直髙度水流加快的程度。管道入水口截面積與水輪機跟前管口截面 之比等于管道入水口流速與水輪機跟前的管口水流速度之反比。
在實際使用中水輪葉的斜度有一定阻流作用，加上管道入水口以上的水壓可傳到管道 內(nèi)，使這一比率允許較大偏差。以引水管道入口至水輪的垂直高度減去引水管道入水口至 最低可發(fā)電水位線的垂直距離得出的垂直高度和引水管入口至水輪的實際高度作為允許 誤差的幅度。在這兩個髙度之間取任何一個高度作為計算參數(shù)所得的流徑截面積既能消除 脈動又能不影響其原有的動能總量。這是因為水慣性和壓力同時推動水輪，其總能量與單 純的慣性能量或單純的壓力能量是相等的。亦可直接下移管道入水口，縮短其垂直高度。 即管道入水口設置在水庫最低可發(fā)電水位線至水輪機之間垂直線的中間點及其以下。這樣管道口至水面的水壓就能以壓力的方式傳入管道深處直至水輪機，管道內(nèi)無法形成負壓就 不會產(chǎn)生壓力脈動。但現(xiàn)有的水電站難以作此改動，且此法可能要用新型閘門/
對于反擊式水輪亦可不縮小管道，而是縮水輪的入水口，水輪片承力面的斜度不改變。 水輪的總過水面積與前一方案縮小的程度相同。在水輪葉片的背部加焊阻水板。對于槳式 水輪亦可采用中間遮蓋縮小法。即剪一圓形鋼板將水輪中間遮蓋留下環(huán)形過水通道。無論 怎樣縮小都要入小出大，因為水流將動能傳給水輪機后其自身失去動能而速度減慢，需要 較大的通道流出水輪，否則新進的水流要分出一部分動能給這些失去太多動能的水流，就 變成了浪費。另外水流產(chǎn)生壓力脈動時會分出一部分動能去搞破壞，搞振動也是一種動能 浪費。
據(jù)本人測算每米垂直高度水流加快0.01倍，這個技術參數(shù)可能不夠準確。測量方法 是在一條高壓立水管上的不同高度，鉆口徑相同的小孔，相同的時間內(nèi)取水計算出每米增 加一米水壓所增加的水量。亦可直接把測速器吊到管道內(nèi)測量。
本發(fā)明的有益效果是可徹底消除引水管道內(nèi)產(chǎn)生的壓力脈動、汽蝕、混亂水流，保 證水輪機在任何水位安全運行，提高水動能利用率。
權利要求
1、水力發(fā)電引水管壓力脈動消除法，引水管道和水輪由上至下分布，其特征是根據(jù)管道入水口至水輪的垂直高度與其水流加快程度的反比例設定引水管道入口和出口的截面積使其入口大出口小，或是直接縮短引水管道入口與水輪的垂直距離，將管道入口下移到最低可發(fā)電水位至水輪垂直線中間點及其以下。
2、 根據(jù)權利要求l所述的壓力脈動消除法，其特征是在反擊式水輪使用本技術時， 通過縮小水輪過水截面積來達到引水管道入口大出口小的要求。
3、 根據(jù)權利要求1所述的壓力脈動消除法，其特征是以引水管道入水口至最低可 發(fā)電水位線的垂直距離得出的垂直高度和引水管至水輪的實際垂直距離作為允許誤差幅 度的計算參數(shù)。
全文摘要
水力發(fā)電引水管壓力脈動消除法一種能徹底消除水力發(fā)電引水管道壓力脈動的技術方案。根據(jù)水流在不斷向上加速其流徑會變小使管內(nèi)出現(xiàn)負壓或真空區(qū)，在大氣壓向上推力和慣性的作用下產(chǎn)生壓力脈動的特點。將引水管道設計成入口大出口小，或直接縮短引水管道入口與出口的垂直距離使管道不能產(chǎn)生負壓從而消除壓力脈動，汽蝕和混亂水流。
文檔編號E02B9/00GK101565941SQ20091013309
公開日2009年10月28日 申請日期2009年4月4日 優(yōu)先權日2009年4月4日
發(fā)明者溫貴程 申請人:溫貴程