| 单词 | 调压室水位波动稳定 |
| 释义 | 【调压室水位波动稳定】 拼译：stability of oscillation in surge tanks 1904年德国汉堡(Heimbach)水电站发生了调压室水位波动不稳定的现象。1910年托马(D．Thoma)首先指出，在装有自动调节器水电站上，只有当调压室的断面积超过某一临界断面积时，调压室水位波动才是稳定的。此临界断面通常叫做托马断面，计算临界断面的公式叫做托马公式。托马公式是根据以下的假定导出来的：(1)调速器按照出力保持常数进行调节；(2)调压室水位波动的扰动充分小(理论上是无限小)；(3)水轮机效率在波动过程中保持不变；(4)水轮机管道中的摩阻较小，可以忽略；(5)隧洞中的速度头可以忽略；(6)调速器绝对灵敏；(7)水电站单独运行；(8)简单调压室。托马关于调压室稳定的论文发表之后，一方面，在工程设计中提出了调压室的最小断面的要求，对生产起了很大的作用；另一方面，在学术界对托马公式的假定进行了必要的探讨，有的甚至对托马理论提出质疑。 1927年，卡拉姆(J．Calame)和加登(D．Gaden首先研究了速度头对调压室稳定的影响。他们假定隧洞和调压室中的速度头可以看作水头损失并加到摩阻损失中(隧洞的入口损失当然也加到摩阻损失中)；计算有效能量时，假定速度能可以恢复，并且速度头不需要从总水头中扣除。利用此二假定，他们导出了考虑速度头影响的稳定断面计算公式。实际上，调压室底部水流状是极不稳定的，尤其在调压室水位较低时更为明显，因此，考虑全部速度头是不安全的，加德尔(A．Gardel)建议只考虑70%的速度头。1941年许勒(J．Schuller)和卡拉斯(K．Karas)等令非线性微分方程的系数的最小值大于零，得出大波动稳定断面等于托马断面的两倍。耶格尔(C．Jaeger)于1943年命微分方程的系数的平均值大于零得出大波动稳定断面与托马断面的比值略大于1，并且与波幅，静水头和水头损失有关。但是，弗兰克(J．Frank)用图解法对大波动稳定的研究表明，耶格尔的结论只有在一定条件下才是正确的，当隧洞很短、流速过小或水头损失过大时，耶格尔的结论不再成立。50年代初，苏联卡尔特维利希利维(H．А．КaртвеAищвиAи)应用小参数法研究大波动稳定问题，他取ε=hω／Z和β=Z／H0为小参数(其中hω是隧洞中的水头损失，Z是不考虑摩阻时，调压室的水位波动振幅，H是静水头。)得出大波动稳定断面与小波动稳定断面相等，但此结论也值得商榷。因为ε和β的值，在实际中往往不能达到小参数的要求。从40年代到50年代，耶格尔等对于水轮机效率、调速器、电力系统、水轮机管道中的摩阻等对稳定的影响进行了研究，提出的结论是：(1)在恒定工况点附近如果效率随水头的增加而增加，随流量的增加而减小，水轮机效率对稳定是不利的；(2)调速器惯性对稳定是有利的；(3)电力系统对稳定是有利的，并且只要水电站与大电力系统相联接，电站的容量不超过系统总容量的1／3，调压室面积的大小、波动都是稳定的，或者是衰减的，(4)水轮机管道的摩阻对稳定是不利的。50年代中期，耶格尔等又对并联、串联和上下游调压室系统进行了研究，结果表明当上游两个调压室并列运行时，稳定条件可以由两个调压室共同来保证，其总面积必须大于一人调压室所需的面积；对于上下游调压室除应保证必要的稳定断面积之外，还必顺考虑上下游水位波的共振问题，当上下游水道系统的波动周期(不计摩阻时的水位波动周期)相近时，系统就存在共振的可能性，为了避免共振，必须加大调压室面积。1959年马里斯(A．W．Marris)根据利亚庞诺夫(A．M，Liapunoff)稳定理论研究调压室大波动稳定问题，他的分析表明：在以速度和水位为坐标的平面上可能出现两个不稳定点，第1个稳定点与托马已验证过的不稳定点是相同的，第2个不稳定点也可以通过联立求解损失方程和调节方程得出。总之，利用利亚庞诺夫稳定理论的研究结果与已有的结论是一致的，但判定不稳定点的存在的利亚庞诺夫定理很复杂，因而，在实际中很少采用。1961年马里斯提出用相平面法研究稳定问题，并把它应用于简单调压室。1971年乔德里(M．H．Chaudhry)和鲁斯(Russ)又比较系统地用相平面法分别对常流量、常开度和常出力的情况进行了稳定分析，他们所得的结论与托马用鲁思－霍尔威茨(Routh-Hurwiitg)准则所得结论基本相同。在进行理论研究的同时，许多专家还作了模型实验和原型观测。例如，斯西梅米(E．Scimèni)于1947～1948年在3处现场进行观测，发现调压室波动都是稳定的，尽管它们的面积都比托马断面小，但是，不能因为斯西梅米的实测就否定托马稳定条件。事实上，由于水轮机效率、调速器的惯性等因素的影响，增加了调压室的稳定性。70年代初挪威曾经作过调压室波动稳定试验，通过降低水头(控制出力不变)，在调压室中出现了异常的涌浪，于是逐步加大调压室面积，最终又使波动稳定。80年代以来，由于大型地下长尾水道的水电站和高水头、长水道抽水蓄能电站的兴建，并联、串联和混联系统调压室的稳定已成为重要研究课题。由于电子计算机的广泛应用，双调压室系统的稳定域的分析变得十分容易实现。80年代末陈鉴治等针对上下游双调压室系统的共振问题，首先导出了共振点轨迹方程，提出了稳定断面的设计准则和计算方法。自80年代以来，对调压室的稳定分析已不限于孤立的调压室本身，而是把它放在整个水机电系统中联合考虑。这个系统包括水道、调压井、水轮机、调速器、发电机和电网。沈宗树首先对系统中的各个元件分别建立数学模型，然后提出统一的状态方程，从中引出常系数矩阵，根据系数矩阵的特征根实部的符号判定系统的稳定性。但是，由于系统复杂，对于非线性的大波动稳定问题，还很难进行分析。即使是小波动，也还有必要作适当简化，降低系数矩阵的阶数，才能利用通用程序求解特征根。当前研究的热点为：(1)调压室、调速器与电网的联合稳定分析，定量地分析电网对调压室稳定的影响；(2)混联调压室系统的稳定问题；(3)上下游双调压室的水位波动的共振问题；(4)低水头电站调压室稳定问题；(5)双调压室系统稳定的模型试验；(6)调压室稳定的现场观测。【参考文献】：1 Escande L，et al．La Houille Blanche，1953，102 Zienkiewicz O C．Proceedings，I．Mech．E．，1956，1703 陈鉴治，武汉水利学院学报，1957，1：161～1874 Jaeger C．Jour．Basic Engineering Trans．ASME，1960，125 Chaudhry M H，et al．Jour．Hyd．Div．ASCE，1971，46 耶格尔著．水力不稳定流．王树人等译．北京：清华大学，1984(武汉水利电力大学吴荣樵教授撰) |
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