本项目为抽水蓄能电站井式进/出水口体形及水力特性的设计理论及应用的研究,涉及水工结构、水力学等多学科领域。 本项目的技术难点和要求为:抽水蓄能电站的进/出水口,具有双向过流功能,在进流时,易产生漩涡;在出流时,因流速不均匀,易引起拦污栅的振动。 本项目依托西龙池抽水蓄能电站,在分析国内外抽水蓄能电站井式进/出水口的设计和运行实践的基础上,通过多方案水工模型试验和三维数值模拟,全面的分析研究了井式进/出水口各部位体形参数对水力特性的影响,取得主要成果如下: 1、首次系统地提出了抽水蓄能电站井式进/出水口体形的设计原则和体形参数。 (1)通过对井式进/出水口水力特性的研究,在井式进/出水口体形设计时,孔口出流时控制过栅流速为0.8~1.0m是合适的,抽水工况下出口的流速不均匀系数应小于2.0。 (2)井式进/出水口各部分对水力特性的影响:影响井式进/出水口水头损失的主要因素是盖板的大小、孔口的高低和扩散程度、竖井扩散段的扩散程度、竖直段的长度、弯段的转弯半径。加大盖板尺寸、减小竖井扩散段的扩散程度、降低孔口高度及减小孔口宽度的横向扩散程度均可降低在抽水工况下的水头损失。而同时会增大在发电工况下的水头损失;无论在发电还是抽水工况下,井式进/出水口的压力分布受体形影响很小;在抽水工况下孔口底板附近反向流速的产生是竖井扩散段水流分离、水流自竖向运动转向水平运动时脱壁、以及沿孔口流动的横向扩散综合作用或单独作用的效果;降低孔口高度、减小孔口宽度的横向扩散和扩大盖板均能对减小孔口底板附近反向流速起到很好的效果;收缩竖井扩散段曲线和降低孔口高度能消除竖井扩散段内的流动分离。 (3)体形设计原则:为防止进流时产生有害的吸气漩涡,同时有利于出流时的孔口流速分布,需要在进/出水口设置盖板,盖板的尺寸应大于竖值扩散段的孔口尺寸,宜取竖直扩散段末端或直径1.1~1.5倍;竖直扩散段采用符合水流扩散的流线型曲线,推荐采用1/4椭圆形曲线,曲线的长短轴之比(竖直扩散段的扩散比)为10倍左右。为减小水头损失,竖井直管段的长度可取2~3倍的洞径;为满足孔口流量均匀分配转弯段的体形推荐采用先扩后收缩的纺锤体体形,转弯段的半径取2~2.5倍的洞径,渐变段扩散比取1:11~1:13。 2、在国内首次将井式进/出水口型式成功地应用在西龙池抽水蓄能电站上,较好地适应了工程地形地质条件,简化了进/出水口与防渗结构的连接,为工程的安全运行提供了保证。电站已投产发电,进/出水口运行状况良好。 3、西龙池抽水蓄能电站上水库进/出水口应用井式型式比侧式型式节省工程投资512万元,经济效益显著。 经查新,本项目研究成果填补了国内空白,具有国内领先水平,在国际上也属首次,研究成果对今后的抽水蓄能电站井式进/出水口设计工作具有重要的借鉴作用和指导意义,社会经济效益显著,具有推广应用价值。