[00881082]大型水电站变顶高尾水洞工作特性的研究

变顶高尾水洞是一种新型的水电站管道体形，拟取代尾水调压室，保证水电站安全、稳定运行。该项目依托三峡地下水电站，实施模型试验、数值仿真和理论分析相结合的技术路线，选取水机电联合过渡过程物理模拟和数值仿真等关键技术，对大型水电站变顶高尾水洞工作特性进行了深入探索，完成了如下的研究内容：(1)研究变顶高尾水洞体型，水轮机组特性以及导叶启闭规律对水电站调节保证参数的影响，确保水电站的安全运行。(2)研究变顶高尾水洞体型，水轮机组特性，调速器特性，以及负荷变化特性对机组稳定运行的影响，确保机组的调节性质和水电站的供电品质。(3)研究变顶高尾水洞的水流特性，适用条件以及合理的体型，为工程应用提供依据。(4)研究变顶高尾水洞的工作特性及其与水电站水机电联合过渡过程的内在联系和机理，提出新的设计理论和计算方法。该项目提交的最终研究成果由三部分组成：(1)结合部级重点实验室的建设，依据三峡地下水电站，建成了中、高水头混流式机组水机电联合过渡过程试验台。该试验台不仅满足变顶高尾水洞工作特性的研究，为三峡工程提供了大量的试验资料，而且大部分项目经费转换成固定资产。(2)系统研究报告。该报告的主要内容是通过水机电联合过渡过程模型试验、数值仿真计算以及理论分析，提出了大型水电站变顶高尾水洞的设计理论和计算方法。并将该关键技术转换成三峡地下水电站的工程设计，成为主要的对比方案之一。(3)变顶高尾水洞水力过渡过程计算软件：该程序能合理模拟大波动、小波动和水力干扰过渡过程以及变顶高尾水洞不同流态的非恒定流。检索资料表明：越南和平水电站是采用变顶高尾水洞设计的唯一实例，前苏联在既未做模型试验，也未做数值仿真计算条件下进行了设计。自该水电站问世以来得到了世界水电工程界极大的关注，为美国土木工程学会编写的设计导则所引用，但未曾发表进一步研究报道。该项目居国际领先水平。主要的创新点如下：(1)在探明了变顶高尾水洞内在机理的前提下，明确了其工作原理。并从工程实际出发，提出了变顶高尾水洞体形设计的基本思路和具体步骤，界定了适用条件，即尾水洞的长度在150-600m范围内为宜。(2)通过模型试验，明确了变顶高尾水洞恒定流的水力特性。有压满流和无压明流的分界面附近的所谓“拍击”现象，是无压隧洞充蓄度的问题必然结果，因此8-12m水流不稳定段是客观存在的。但变顶高尾水洞不存在形成全洞长明满流交替的水流状态的条件，也不存在滞气现象。“拍击”的幅度仅0.4m之内，不可能对机组运行和洞顶结构产生任何不利的作用。(3)大波动、小波动和水力干扰等过渡过程的研究结果表明，变顶高尾水洞能有效地满足机组调保参数的要求，起到取代尾水调压室的作用。并且变顶高尾水洞对机组调节品质和运行稳定性所起的作用与尾水调压室类似，一方面减小了尾水系统有压段水流惯性不利的影响；另一方面变顶高尾水洞或尾水调压室自身的涌波又叠加在调节过程之中，使得调节过程较长、尾波不断、衰减较慢。但高尾水位时栏个尾水系统呈满流，不存在尾波的影响.故在其性能比尾水调压室要好。(4)针对变顶高尾水洞过渡过程的水力特性，建立了相应的数学模型和计算方法，改进了虚设狭缝法的判据条件，编制了计算程序。数值仿真计算结果与模型试验结果有较好的对比性。无论是大波动、小波动、水力干扰，其变化趋势一致，主要控制参数基本相同。因此该数学模型和计算程序能初步用于方案比较和体形优化，为工程设计提供了有效的工具。(5)带模型机组的试验将水机电联合过渡过程研究向前推进了一大步，不仅试验重复好、其结果规律性强，如机组调保参数随导叶关闭时间和关闭规律的变化，机组转速升高、蜗壳最大动水压力以及尾水管最大真空度发生时间次序和与同导叶关闭时问的关系等；而且能在一定精度下，定量给出机组凋保参数的大小，尤其是机组转速升值和尾水管进口最小绝对压力。并且能进行小波动和水力干扰试验，正确地反映了调速器主要参数和变顶高尾水洞水力特性的影响，为判定变顶高尾水洞的适用性起到了重要的作用。该项研究不仅为依托工程，三峡地下水电站变顶高尾水洞方案的成立提供了大量的试验数据、计算成果和理论依据；也为乌江彭水水电站变顶高尾水洞方案进行了数值仿真计算以及与尾水调压室方案的比较。现在又用于指导向家坝地下水电站变顶高尾水洞方案专题研究。由此可见，该项成果具有较广阔的应用前景和推广价值。