一种改善尾水隧洞压力的通气孔装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种改善尾水隧洞压力的通气孔装置，由面板、双向通风口、单向通风口、阻气盖、弹簧、立柱、轴承、橡胶垫等组成。当空气由外部经过通气孔流入隧洞时，单向通风口全部打开，此时通气孔面积处于最大，可以有效缓解隧洞中的负压；当空气由隧洞经过通气孔流到外部时时，单向通风口全部关闭，此时通气孔只有双向通风口可以排气，可以有效减小排气结束时的撞击压力，保证隧洞的安全运行。本发明在满足其他调保要求的前提下，可以大大缓解进气时隧洞中的负压以及排气时的撞击压力，特别是对于底板高程较高的尾水隧洞，效果更加显著。
【专利说明】
-种改善尾水隧洞压力的通气孔装置
技术领域
[0001] 本发明设及水利水电工程技术领域，特别是设及一种用于改善水电站尾水隧桐压 力的通气孔装置，适用于带有通气孔的水电站尾水隧桐。
【背景技术】
[0002] 大型引水式水电站建设前期需建设规模庞大的施工导流隧桐，而设计时常将施工 导流桐与水电站尾水系统相结合，工程后期将部分导流桐改作发电尾水隧桐。当下游梯级 水库水位接近桐顶时，尾水隧桐内的初始压力较小，电站发生过渡过程时，尾水道中的压力 及涌浪变化均较剧烈，可能会导致位置较高处的尾水隧桐中产生低压，如果低压达到汽化 压力，桐中即可能产生液柱分离现象，进一步导致液柱弥合从而造成巨大的压力，将严重危 及建筑物的安全。设计中为了避免发生该类事故，常在尾水隧桐1顶部高点处设置通气孔2， 如图1所示。通过补气的方式来减缓尾水隧桐中压力的降低，此时通气孔处于进排气的状 态。但同时也带来了通气孔进排气及尾水隧桐中出现局部气液两相流的问题，进入管道的 气团经过压缩、膨胀，再排出孔口时带来较大瞬变压力，并伴随喷水现象，整个瞬态过程较 为复杂，出现了一些新的水动力学及热力学问题，如果设计或运行不当，该瞬态过程中会产 生较为严重的压力波动，轻者影响机组稳定运行，严重的甚至会导致隧桐破坏的恶性事故， 造成难W挽回的损失。
[0003] 当通气孔处于进排气状态时，通气孔的面积对于尾水隧桐的最低负压和最高正压 具有较大影响。当通气孔面积较大时，进排气过程均较快，进气快有利于隧桐中负压的有效 缓解，排气快产生的撞击压力较大；当通气孔面积较小时，进排气过程均较慢，不利于隧桐 中负压的缓解，但排气结束时刻的撞击压力较小。因此，合理的选择通气孔的面积大小，需 综合考虑尾水隧桐中的最低负压和通气孔排气时的较大正压。在目前的设计中，基本都采 用固定大小的通气孔面积，无法很好的平衡最低负压和最大正压之间的矛盾，本发明使用 了一种新的通气孔形式，很好的协调了尾水隧桐的最低负压和瞬时最大正压。
【发明内容】
[0004] 发明目的：现有技术中面积固定的尾水隧桐通气孔形式，存在难W同时将最低负 压和最大正压控制在较优的范围的不足。为了克服固定面积通气孔的运一缺点，改善尾水 隧桐内的压力，确保水电站安全、可靠运行，本发明旨在提供一种改善尾水隧桐压力的通气 孔装置:单向限流的通气孔形式，通过调节进气和排气时通气孔面积的大小，来改善尾水隧 桐内的压力。
[0005] 技术方案:为解决上述技术问题，本发明提供的一种改善尾水隧桐压力的通气孔 装置，包括安装在尾水隧桐通气孔内的面板，所述面板上具有双向通风口和单向通风口，所 述双向通风口用于尾水隧桐的进气和排气，所述单向通风口具有限制尾水隧桐排气的单向 逆止结构。
[0006] 具体地，所述单向逆止结构包括固定在面板上的立柱，套设在立柱上的阻气盖，W 及使阻气盖盖住单向通风口的弹黃。当空气流出尾水隧桐时，所述阻气盖盖住单向通风口， 缩小空气流出时的面积，进一步限制空气的流出。
[0007]具体地，所述立柱与阻气盖之间安装有轴承，所述面板与阻气盖的接触部安装有 橡胶垫。轴承可W减小阻气盖移动时的摩擦。橡胶垫起到缓冲作用，避免阻气盖关闭和打开 时由于速度过快发生破坏。
[000引具体地，所述立柱是在单向通风口边沿呈正=角形分布的=根。可使阻气盖水平 下降，防止倾斜。
[0009]具体地，通过公式推导，计算出通气孔、阻气盖、立柱各部分尺寸与重量，并通过计 算确定立柱的长度，当阻气盖到达最低端时，避免弹黃拉伸过长超过其极限强度使弹黃被 拉坏，不能将阻气盖拉回：
[0010] 立柱的长度L = Li+L2+b
[0011] 阻气盖板的高度h = ^+b
[0012] 式中，风速V为0时弹黃的拉伸长S ，阻气盖的重量m，弹黃的弹性系数k，弹 黃的初始长度b;当空气自上而下流入时，由单向通风口的面积A，直径为D，风阻系数为C，风 对阻气盖的推力
，弹黃的拉伸长运
[0013] 具体地，所述面板上单向通风口边沿设有朝向阻气盖的凸起。在阻气盖完全盖住 时保证空气不再流通。
[0014] 具体地，所述面板的安装高程在通气孔内最高水位线W上。不影响通气孔内的水 体流动及涌浪波动。
[0015] 本发明同时提供上述改善尾水隧桐压力的通气孔装置的工作方法，其特征在于： 当水电站发生过渡过程时，尾水道中的压力及浪涌变化，在大气压的作用下，空气经由通气 孔自上而下进入尾水隧桐；在面板处，空气向下流动，阻气盖使单向通风口打开，空气从双 向通风口和单向通风口共同流入，减缓尾水隧桐中的负压；
[0016] 当尾水隧桐中水面上升时，隧桐中的空气通过通气孔排出管道，在面板处空气向 上运动，在空气及弹黃的作用下，阻气盖封闭单向通风口，此时空气只能通过中间的双向通 风口排出，降低气团排出孔口时的瞬变压力。
[0017] 本发明的理论依据为:通气孔面积越大，进气过程越快，减缓尾水隧桐负压效果越 好。从该角度出发，希望通气孔面积越大越好。但是通气孔面积越大，排气过程也越快，产生 的撞击压力也相对较大。工程设计中综合考虑尾水隧桐最大负压、最大撞击压力W及工程 布置等多项因素确定通气孔面积。由尾水隧桐通气孔的工作原理及W上说明可W看出，较 优的通气孔结构形式是:在空气流进隧桐阶段，孔口面积较大，进气较快，满足尾水隧桐最 低负压要求;在空气排出隧桐阶段，孔口面积较小，排气较为缓慢，满足撞击压力要求，从而 从总体上改善尾水隧桐的压力。
[0018] 发明原理：W水电站过渡过程为例，说明设置有双向通风口和单向通风口面板的 单向限流通气孔的工作原理和效果。
[0019] 当水电站发生过渡过程时，尾水道中的压力及浪涌变化均较剧烈，可能会导致较 高处尾水隧桐中的水面降低，产生低压。在大气压的作用下，空气经由通气孔自上而下进入 尾水隧桐。在面板处，空气向下流动。在空气的作用下，阻气盖快速向下移动，此时单向通风 口打开，空气可W从双向通风口和单向通风口共同流入，进气速度较快，可W很好的减缓尾 水隧桐中的负压。
[0020] 当尾水隧桐中水面上升时，隧桐中的空气通过通气孔排出管道。在面板处，空气向 上运动。在空气及弹黃的作用下，阻气盖快速向上移动，封闭单向通风口，此时空气只能通 过中间的双向通风口排出，排气速度较慢，可W有效的降低气团排出孔口时的瞬变压力。
[0021] 有益效果:与现有技术相比，本发明有效解决了在水电站机组过渡过程中，由于尾 水隧桐内水位降低产生过大负压和水位上升空气排出尾水隧桐孔口时出现较大瞬变压力 的问题，运对通气孔的结构形式进一步优化，电站调节品质的提高W及灵活稳定运行，具有 十分显著的效果。
[0022] 除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征W及由运些技 术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的一种改善尾水隧桐压力的通气孔装置所能解 决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征W及运些技术特征带来的优点，将结 合附图做出进一步详细的说明。
【附图说明】
[0023] 图1为现有的尾水隧桐通气孔结构示意图；
[0024] 图2为本发明的尾水隧桐通气孔结构示意图；
[0025] 图3为本发明的面板结构俯视图；
[0026] 图4是图3中单向通风口的俯视图；
[0027] 图5是图3处于开启状态时的主视图；
[00%]图6是图3处于关闭状态时的主视图；
[0029] 图7是图3相关尺寸示意图；
[0030] 图8为本发明实施例的水电站输水系统布置简图；
[0031 ]图9为本发明实施例的水电站尾水系统布置简图；
[0032] 图10为本发明实施例通气孔处压力变化过程线；
[0033] 图中：尾水隧桐1，通气孔2,面板3,双向通风口 4,单向通风口 5,阻气盖6,弹黃7,立 柱8,轴承9,橡胶垫10。
【具体实施方式】
[0034] 实施例：
[0035] 本实施例的用于改善尾水隧桐压力的通气孔装置如图2和图3所示，在尾水隧桐1 的通气孔2上部设置面板3。面板3上设有单向通风口 5和双向通风口 4,其中双向通风口 4可 双向进气，单向通风口 5只允许空气自上而下流入，当空气由下而上流出时，在风力和弹黃 拉力的作用下，盖板盖住单向通风口 5,阻止空气的流出。通过两种通气孔的作用，可实现由 通气孔2向尾水隧桐1内快速进气，减缓隧桐中的负压力;尾水隧桐1向通气孔2缓慢排气，降 低气团排出孔口时的瞬变压力。
[0036] 单向通风口结构形式如图4、图5、图6和图7所示，阻气盖6与面板3之间用弹黃7相 连，相接触部位设置橡胶垫10,弹黃7中间设有立柱8,阻气盖6与立柱8W轴承9相连接，立柱 下部扩大，上表面设有橡胶垫10。弹黃初始长度为b，阻气盖板的重量为m，弹黃的弹性系数 为k，风阻系数为C，单向通风口的面积为A，直径为D，则风速V为0时弹黃的拉伸长度， 阻气盖板的高度h = b+b。
[0037] 当空气自上而下流入时，风对阻气盖的推义
，此时弹黃的拉伸长度为
g此立柱的长度L = b+L2+b。
[0038] 当阻气盖移动到最上端或者最下端时，在阻气盖与面板或立柱接触部位设置有橡 胶垫，避免阻气盖运动速度过快发生碰撞破坏。
[0039] 当机组发生甩负荷工况时，尾水隧桐内液面下降，压强降低，外界气压大于尾水隧 桐压强，空气自上而下经过通风口流入尾水隧桐。在面板处，气流吹动阻气盖向下运动，即 单向通风口打开。空气可由双向通风口和单向通风口进入尾水隧桐，进气面积较大，因此补 气速度较快，可W及时缓解尾水隧桐的负压。
[0040] 当尾水隧桐内液面上升，原本存在于隧桐内的空气被压缩，气压增大，大于外界大 气压，空气自下而上经由通气孔排除尾水隧桐。在面板处，气流吹动阻气盖向上运动，即单 向通风口关闭。空气只能由单向通风口排出尾水隧桐，排气面积较小，因此排气速度较为缓 慢，大大降低了气团排出孔口时的瞬变压力。
[0041] 某引水式电站上游管道系统采用"单管单机"的布置形式，尾水系统采用机一 室一桐"的布置形式，其水力单元平面布置如图8所示，图中段和^2段剖面布置如图9所 示，通气孔布置在尾水隧桐与导流桐结合处。
[0042] 本实施例通过设置不同通气孔面积W及采用本发明中的通气孔结构，比较本电站 =台机组发生同时甩负荷时，尾水隧桐通气孔处的压力变化，具体计算结果如图10所示。
[0043] 如图10所示，当选用新型通气孔结构时，尾水桐的压力得到很好的控制，基本避免 了排气结束时刻的撞击压力。当机组开始甩负荷时，尾水隧桐内的压力开始下降。当采用传 统的通气孔结构时，进气面积与排气面积相同，排气过程结束后发生较大的撞击压力，其压 力值达到47.90m，不利于尾水隧桐的安全运行。而当选用新型的通气孔结构时，压力得到很 好地控制。进气时通气面积较大，能够快速缓解隧桐内的最低压力，排气时通气面积减小， 减缓气体的排出速度，最大撞击压力为21.32m，远远低于传统通气孔结构下的压力值，使得 压力振荡得到较好的控制。
[0044] 上述结果表明：本发明提出的新型通气孔结构，即进气时孔口全部打开，排气只有 部分孔口排气，压力振荡得到较好的控制，保护隧桐的安全。
[0045] 本发明采用了在通气孔内设置面板的结构，将面板中间的开口作为双向通风口； 周围开的小口作为单向通风口。单向通风口在面板下方设有阻气盖，阻气盖为凹槽形状结 构，与弹黃相连，弹黃上端固定于面板，下端与阻气盖相连。弹黃中部有立柱，阻气盖与立柱 之间有滚动轴承，立柱底端加大，防止阻气盖位移过大造成弹黃超出其极限强度。底端上表 面设有橡胶垫，避免阻气盖打开时由于速度过快发生破坏。单向通风口可W限制空气通过 通气孔向上流出，即空气自上而下流动时，单向通风口打开，空气可从单向通风口和双向通 风口流入;当空气自下而上流动时，单向通风口关闭，故空气只能从双向通风口流出。
[0046] W上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实 施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对运些实施 方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种改善尾水隧洞压力的通气孔装置，其特征在于:包括安装在尾水隧洞通气孔内 的面板，所述面板上具有双向通风口和单向通风口，所述双向通风口用于尾水隧洞的进气 和排气，所述单向通风口具有限制尾水隧洞排气的单向逆止结构。2. 根据权利要求1所述的一种改善尾水隧洞压力的通气孔装置，其特征在于:所述单向 逆止结构包括固定在面板上的立柱，套设在立柱上的阻气盖，以及使阻气盖盖住单向通风 口的弹黄。3. 根据权利要求2所述的一种改善尾水隧洞压力的通气孔装置，其特征在于:所述立柱 与阻气盖之间安装有轴承，所述面板与阻气盖的接触部安装有橡胶垫。4. 根据权利要求2所述的一种改善尾水隧洞压力的通气孔装置，其特征在于:所述立柱 是在单向通风口边沿呈正三角形分布的三根。5. 根据权利要求2所述的一种改善尾水隧洞压力的通气孔装置，其特征在于： 立柱的长度L = Li+L2+b阻气盖板的高度hi^+b 式中，风速v为〇时弹簧的拉伸长度 ，阻气盖的重量m，弹簧的弹性系数k，弹簧的 初始长度b;当空气自上而下流入时，由单向通风口的面积A，直径为D，风阻系数为c，风对阻 气盖的推力，弹簧的拉伸长度6. 根据权利要求2所述的一种改善尾水隧洞压力的通气孔装置，其特征在于:所述面板 上单向通风口边沿设有朝向阻气盖的凸起。7. 根据权利要求2所述的一种改善尾水隧洞压力的通气孔装置，其特征在于:所述面板 的安装高程在通气孔内最高水位线以上。8. 根据权利要求1所述的一种改善尾水隧洞压力的通气孔装置的工作方法，其特征在 于：当水电站发生过渡过程时，尾水道中的压力及浪涌变化，在大气压的作用下，空气经由 通气孔自上而下进入尾水隧洞;在面板处，空气向下流动，阻气盖使单向通风口打开，空气 从双向通风口和单向通风口共同流入，减缓尾水隧洞中的负压； 当尾水隧洞中水面上升时，隧洞中的空气通过通气孔排出管道，在面板处空气向上运 动，在空气及弹簧的作用下，阻气盖封闭单向通风口，此时空气只能通过中间的双向通风口 排出，降低气团排出孔口时的瞬变压力。
【文档编号】E02B9/06GK105821819SQ201610218295
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】俞晓东, 张健, 周天驰, 刘甲春, 张博
【申请人】河海大学