專利名稱：用于減少引水渠道中摩擦損失的方法
背景利用水電站的水渠來(lái)將水從蓄水池或一個(gè)入口輸送到發(fā)電廠，那樣將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)變成電能。當(dāng)水流經(jīng)引水渠道時(shí)，由摩擦而引起的能量損失將始終產(chǎn)生。因?yàn)槠渲幸恍﹦?shì)能損失，所以得到的能量少于理論上可得到的能量。社會(huì)具有一大而持續(xù)增加的能量消耗，同時(shí)導(dǎo)致對(duì)新發(fā)電廠的社會(huì)需求及隨之發(fā)生的環(huán)境破壞。因此很顯然，如果能使能量損失減至最少，那么這對(duì)環(huán)境和社會(huì)都具有重大的優(yōu)點(diǎn)。
大量的引水渠道(比如，在挪威)，除了在特別薄弱的區(qū)域用混凝土加固之外，都是簡(jiǎn)單地挖掘，而沒(méi)有用混凝土砌襯或諸如此類。因?yàn)樵谶@些引水渠道中，水接近很粗糙的引水渠道壁表面流動(dòng)，所以摩擦損失比它順著較光滑表面流動(dòng)的摩擦損失大很多。
與較新的引水渠道相比，具有比較小橫斷面的較古老引水渠道將具有更大的水頭損失。原因可能是與現(xiàn)今的情況相比，這些較古老的引水渠道是按照過(guò)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)(較高的財(cái)政利益，較高的建設(shè)費(fèi)用和較少的動(dòng)力價(jià)值)定尺寸的。
另外，在某些情況下，希望比如通過(guò)增加發(fā)電廠的最大排水量和/或?qū)⒏嗟乃斔偷桨l(fā)電廠，來(lái)增加通過(guò)引水渠道的水流，這種情況導(dǎo)致一不成比例的大水頭損失。
當(dāng)建設(shè)新的引水渠道時(shí)，通過(guò)鉆探或挖掘具有橫斷面足夠大和具有最光滑的可能表面來(lái)減少水頭損失。此外，有時(shí)通過(guò)用瀝青或類似物使水渠底面光滑來(lái)減少水頭損失。然而這些方法有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的局限，而造成在大多數(shù)引水渠道中水頭損失仍然很顯著。如果已經(jīng)要求顯著的流量增加用于發(fā)電廠，則修筑一條與現(xiàn)有引水渠道平行的新引水渠道或者準(zhǔn)備擴(kuò)建現(xiàn)有引水渠道，迄今為止都是這種要求的實(shí)際解決方案。這些解決方案包括巨額的建設(shè)費(fèi)用。
目的本發(fā)明的目的是減少當(dāng)水流過(guò)未砌襯的引水渠道或其它粗糙壁面的引水渠道時(shí)出現(xiàn)的摩擦損失。另一個(gè)目的是用經(jīng)濟(jì)、容易安裝的裝置來(lái)達(dá)到這種效果，并且該裝置需要最少量的維護(hù)。因此，本發(fā)明將制定一種方法，該方法能幫助現(xiàn)有的發(fā)電廠升級(jí)到接近它們的最大理論性能，這樣就避免了不必要的大量新建水電站。發(fā)明這些目的用獨(dú)立權(quán)利要求1所述的方法達(dá)到。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例用所附權(quán)利要求說(shuō)明。
下面說(shuō)明全都在本發(fā)明框架之內(nèi)的不同實(shí)施例。
按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，管道的整個(gè)長(zhǎng)度可以用撓性材料預(yù)制成一個(gè)完整的，相關(guān)引水渠道專用的圓筒形單元。這帶來(lái)明顯的好處，即避免了任何不同構(gòu)件的接合/裝配。一個(gè)可能的缺點(diǎn)是管道的重量可能過(guò)重?？梢岳靡环N韌性的而優(yōu)選的是增強(qiáng)的纖維，就象用于攔油柵(oil boom)的織物。
至于與大尺寸和超重有關(guān)的問(wèn)題，在某些方面，可以優(yōu)選地用若干段預(yù)制成適當(dāng)長(zhǎng)度段的撓性織物組裝管道。各分段可以預(yù)成形成圓筒形狀，它是用合適的方法如焊接法一段一段地接合成合適的長(zhǎng)度?？晒┻x擇地，各分段可以是矩形的，在這種情況下，可以首先將一個(gè)以上的矩形構(gòu)件接合(焊接)到一個(gè)圓筒形單元上，在此之后使各圓筒形單元相互連接。
這樣選定尺寸，以便當(dāng)用高壓完成的管道得到它預(yù)定的幾乎圓筒形形狀時(shí)，管道幾乎完全填滿引水渠道的規(guī)整(圓筒形)部分。很顯然，在管道和引水渠道的壁之間將有一些空隙，同時(shí)形狀和尺寸上的變化取決于粗糙的引水渠道壁面的變動(dòng)。通過(guò)一些將要進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的優(yōu)選實(shí)施例，還利用這種空隙來(lái)輸送有限的水流，而同時(shí)在管道內(nèi)保持適當(dāng)?shù)母邏?，以便管道在所有正常工作條件期間保持膨脹(圓筒形)。
在正常工作期間管道上的張力很大，并且必需防止管道由于以一定間隔或連續(xù)地連接到引水渠道壁上而在引水渠道的縱向方向上產(chǎn)生位移。然而，避免了由于壓力波動(dòng)而產(chǎn)生的張力，因?yàn)楣艿纼?nèi)的(高)壓力總是高于外部的壓力。
下面，參照附圖進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，此處

圖1示出在引水渠道的縱向分段上，如何可以按照本發(fā)明進(jìn)行圓筒形織物的連接/裝配。
圖2a示出圖1所示引水渠道的橫截面。
圖2b示出用于按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例固定管道的詳圖。
圖3示出圖2的替換物，它具有另外的沿著引水渠道的“頂板線”固定點(diǎn)到引水渠道上。
圖4a和4b示出可供選擇的實(shí)施例，此外管道由多個(gè)剛性分段形成，這些剛性分段裝配成一般是剛性的管道構(gòu)造。
圖5a示出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一節(jié)分段，其中渠道的橫截面剛好在管道的上游及剛好在管道的下游稍微變窄，以便在管道1內(nèi)產(chǎn)生高壓，圖5b-5d示出保持管道1內(nèi)高壓的不同方式。
圖1示出一個(gè)引水渠道的縱向分段，其中本發(fā)明以圓筒形，撓性織物1形式裝配成一個(gè)構(gòu)件。通過(guò)連接單元2將織物1以均勻的間距沿著織物周邊上的一條直線固定到軌道(桿件)3上，該桿件3在中央沿著引水渠道的“頂部”，亦即，在或靠近引水渠道橫截面5的最高點(diǎn)處延伸。利用螺栓4或類似的連接裝置，將用于其部件的軌道3連接到引水渠道壁6上。
用這種連接裝置的特殊優(yōu)點(diǎn)是軌道3從裝配開(kāi)始就承載大部分織物的重量，因?yàn)樵谇篱_(kāi)口處的軌道上推動(dòng)織物(或管道)上的連接件2，并由其導(dǎo)向到引水渠道中的正確位置，不需要更多的力用于引水渠道內(nèi)的提升等。
圖2示出與圖1相同的引水渠道，但示出引水渠道的橫截面視圖。正如已經(jīng)表明的，如果管道用多個(gè)剛性管道元件制成，則這種連接件也可以用，這樣圖2上的管道1可以表示或是撓性管道、或是剛性管道。
當(dāng)織物或管道正確定位時(shí)，它可以相對(duì)于引水渠道壁固定，以便它只能在引水渠道的縱向方向上極小量地移動(dòng)。詳圖2b示出用于連接單元2和軌道3的優(yōu)選實(shí)施例，此處連接單元2包括至少一個(gè)輪子8和一個(gè)鎖銷9或螺栓，上述輪子8安排成沿著軌道3的下部運(yùn)行，而鎖銷9或螺栓如此安排，以便它可以穿過(guò)孔推入連接單元2的第一垂直法蘭中，此后穿過(guò)孔推入軌道3中，并且在最后擰入連接單元2第二垂直法蘭中帶螺紋的開(kāi)口中。照這樣，連接單元2一旦已定好位并且鎖銷已固定，它就不再能沿著軌道移動(dòng)。
當(dāng)然，如果要求將管道固定得十分穩(wěn)固，則可以利用多于一根的軌道。如圖3所示，已經(jīng)利用了三根軌道，它們?cè)谇赖臋M斷面圖上看相互間隔開(kāi)120°，以便它們繞周邊均勻地間隔開(kāi)。一旦最后將管道固定，這就形成特別牢固的連接。另一方面，它要求許多額外的工作，以便提供額外的連接，并且當(dāng)需要時(shí)將只采取這種工作。也可以采用沿著引水渠道頂部路線(top line)的軌道和別的更撓性或靈活的連接裝置用于另外的連接點(diǎn)2’。因此連接機(jī)構(gòu)3’可以是一根軌道，但也可以用連接帶或類似物，以便不需要象沿著渠道頂棚的連接單元2那樣均勻地或靠近在一起安排。
織物或管道上的連接單元2可以是能保持所要求張力的一種。然而，相對(duì)于所要求的強(qiáng)度，優(yōu)選的是使用與織物或管道整體式形成的連接耳。
盡管上述軌道構(gòu)成一種特別方便的將管道固定到渠道壁上的方法，但由于它提供方便的安裝操作，所以本發(fā)明不限于任何特別的安排連接的方法。任何已知的用于連接的手段，其中包括剛性螺栓和撓性帶，或這種手段的結(jié)合，都應(yīng)考慮屬于本發(fā)明的范圍。因此應(yīng)該理解，它決不要求將連接點(diǎn)安排成一條線，盡管這樣做常常是最方便的。
應(yīng)該理解，采用撓性織物在裝配方面具有多許優(yōu)點(diǎn)。除了運(yùn)輸要求的小空間之外，在織物和渠道壁之間總是有工人呆的地方，比如，與連接有關(guān)，因?yàn)榭椢锟梢院苋菀紫蚺赃厪澢?，在那里引水渠道壁和管道之間的間距也小。
另一方面是，如果引水渠道具有某些偏離主要是規(guī)則的圓筒形狀的異常不規(guī)則性，則用撓性管道比用剛性管道更容易適合特殊的解決方案，因此渠道中的單一窄點(diǎn)不要求整個(gè)管道都變窄。
在另一些情況下，利用將多個(gè)剛性管道元件放在一起所構(gòu)成的管道，來(lái)形成一般如圖4所示的剛性管道結(jié)構(gòu)，可能是有利的。優(yōu)點(diǎn)是裝配好的構(gòu)造將具有較少的移動(dòng)能力，它要求為數(shù)更少的連接點(diǎn)到引水渠道壁上，并且如果它排空了將不會(huì)塌陷。另一方面，它將缺少如已經(jīng)說(shuō)過(guò)的撓性管道的特殊優(yōu)點(diǎn)。剛性管道將必須固定到引水渠道壁上，這樣主要是達(dá)到與撓性管道相同的方式。
各剛性管道元件可以具有如圖4a所示的筒體元件1’的形狀，但用只有一部分比如圖4b中筒壁的一半構(gòu)成的元件常常更為實(shí)際。這是由于需要空間用于運(yùn)輸，和涉及在有限的空間內(nèi)使各元件進(jìn)入引水渠道并將它們裝配和固定在正確位置處的問(wèn)題。對(duì)于只構(gòu)成筒壁一部分的薄板，也有不同的實(shí)施例。這些元件可以具有很剛性結(jié)構(gòu)的彎曲板形式，這種剛性結(jié)構(gòu)只能將形狀改變一很有限的程度，這些元件或者具有很薄壁的板形式，這種板具有至少在一個(gè)方向上彎曲的能力，并且它以無(wú)約束的形式采取一平的矩形形狀。一旦這后一種薄板已經(jīng)彎曲成所希望的圓筒形狀，并與兩邊上的相鄰薄板一起裝配，則它的移動(dòng)自由很受約束，因?yàn)樗莿傂员诮Y(jié)構(gòu)的一部分。
涉及在引水渠道中使用這些管道，尤其是當(dāng)管道用撓性織物制造時(shí)的普遍問(wèn)題，是在管道中時(shí)時(shí)出現(xiàn)壓力起伏(surge)。管道必須能經(jīng)得住這種起伏而不塌陷。下面說(shuō)明涉及這個(gè)問(wèn)題的幾種方法，所有這些方法都享有在管道內(nèi)形成并保持某種高于外部壓力的共同特點(diǎn)。
得到這種高壓的最優(yōu)選的方法在圖5a中示出，并且這種方法包括在管道1入口的很短距離的上游建立一個(gè)永久的狹窄通路10，該狹窄通路10比如用金屬或混凝土制成，它直接地在管道的上游，通過(guò)一平滑而均勻的錐體12再延伸到管道的橫截面，該錐體12保證通過(guò)狹窄通路的流動(dòng)產(chǎn)生最小的擾動(dòng)。此外，穿過(guò)狹窄通路壁的一些開(kāi)口13讓一定量的水從它的內(nèi)部轉(zhuǎn)到它的外部，并由其沿著管道的外部在引水渠道壁和管道之間流動(dòng)。然而，主要的大量水將流過(guò)狹窄的通路并進(jìn)入管道1，并且這種流動(dòng)的速度在狹窄通路處將比管道內(nèi)部高。
當(dāng)水流過(guò)最窄的橫截面，并穿過(guò)狹窄通路成形為錐體的部件12進(jìn)入管道時(shí)，速度將稍微增加，這意味著它的一部分動(dòng)能將轉(zhuǎn)變成壓力能，還意味著管道內(nèi)部的壓力稍高于外部的壓力。狹窄的程度決定這個(gè)壓力將高多少。這種構(gòu)造可以適合每種相關(guān)情況下的需要。應(yīng)該注意，由于在調(diào)節(jié)水輪機(jī)(turbine)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，所以可以保持高壓用于兩個(gè)方向上流動(dòng)，是方便而必要的。另外，對(duì)各種各樣的水速，最高達(dá)透平空轉(zhuǎn)時(shí)的速度(約為正常速度的兩倍)，都應(yīng)能得到高壓。
為了能在水回流期間保持高壓，可以在管道的下游與管道12的上游類似的狹窄通路11。管道外部的水速將自動(dòng)地適應(yīng)，以便水頭損失在內(nèi)部和外部相等。實(shí)際上，這意味著管道外部的速度將比管道內(nèi)部低得多，但外部空間將對(duì)總流量產(chǎn)生一定影響。
然而，有另一些方法在管道內(nèi)部提供按照本發(fā)明所要求的高壓。一種可供選擇的方法是在圖5b的管道上游和下游設(shè)置泵14，這兩臺(tái)泵方向?qū)χ盟偷焦艿乐?虛線表示泵送的方向)，這意味著管道下游的泵以逆流泵送到總的流動(dòng)方向上。這種配置在兩泵之間提供局部高壓。這種解決方案的缺點(diǎn)是它取決于機(jī)械活動(dòng)部件，該機(jī)械活動(dòng)部件需要能源進(jìn)行工作。
另一個(gè)可供選擇的實(shí)施例在圖5c中示出，它包括在管道的入口端和出口端處安裝小的導(dǎo)管(tubing)15。每個(gè)導(dǎo)管15的其中一端一般垂直地穿過(guò)管道1的壁，并可以旋轉(zhuǎn)式裝軸到管道1上。如果不需要使水流逆向的能力，則各導(dǎo)管不必旋轉(zhuǎn)式裝軸。導(dǎo)管其橫截面顯著地小于按照本發(fā)明所述的管道1橫截面。導(dǎo)管彎曲約90°，以便它們的自由端主要與管道1內(nèi)的流動(dòng)方向平行。由于水流施加于導(dǎo)管上的力，它們將如此調(diào)節(jié)，以使它們朝向流動(dòng)方向。正好在導(dǎo)管的下游有一比較小的壓力，該小壓力通過(guò)導(dǎo)管15輸送到管道的外部。
提供局部高壓的最精致而可靠的方法包括參照?qǐng)D5a所述的狹窄通路。根據(jù)情況可以加入本實(shí)施例的某些變體。根據(jù)第一次說(shuō)明的可供選擇的實(shí)施例，建議在管道外部應(yīng)當(dāng)允許有少的水流。在長(zhǎng)引水渠道情況下，可以希望加上兩個(gè)以上適當(dāng)間隔開(kāi)的狹窄通路，以便控制引水渠道中不同區(qū)域的高壓。如果要求保持有限長(zhǎng)度管道中的高壓，則能夠只用一個(gè)狹窄通路。按照這個(gè)可供選擇的實(shí)施例，在管道外部將沒(méi)有任何水流。
如果水流總是直線型的，則可以利用如圖5d所示的小管道16將管道中的空隙連接到更下游的一個(gè)較低壓力的點(diǎn)上，以便在管道內(nèi)部得到一比較高的壓力。(注意在圖5d上，流動(dòng)方向是從右向左)。
不管管道材料指定是剛性板材還是撓性的織物，管道的表面，尤其是面向里的側(cè)面都應(yīng)是盡可能光滑和無(wú)摩擦。這主要是選擇材料和材料在引水渠道中裝配之前的表面處理問(wèn)題。也可能與用某些方式處理材料有關(guān)，比如為了防止霉菌或類似物繁殖。然而，這是相對(duì)于本發(fā)明中心部分的次要考慮，本發(fā)明的中心部分是安裝一種管狀體，該管狀體具有很一致而均勻的形狀，并且優(yōu)選的是在引水渠道中具有近似圓形的橫截面。即使橫截面一直稍小于引水渠道本身的橫截面，利用減少摩擦損失也將節(jié)約大量的能量。例子下面給出一個(gè)計(jì)算實(shí)例，它表面用按照本發(fā)明的方法可得到的節(jié)約量級(jí)。該例子把50m2每秒輸送150m3水的引水渠道作為基礎(chǔ)。該例子表明，利用本發(fā)明可以避免約3/4的摩擦損失。作為例子還表明，與原先定好尺寸的引水渠道流量相比，有必要增加流量的地方，節(jié)約量更大。對(duì)每秒100m3的水流，節(jié)約量將是每公里引水渠道2.7百萬(wàn)千瓦小時(shí)(Gwh/km)，而在每秒120m3/s下，節(jié)約量將是4.7Gwh/km引水渠道。(1Gwh相當(dāng)于挪威約40戶普通獨(dú)立家庭每年的能量消耗)。具有橫截面＝50m2和不同水流量的引水渠道
權(quán)利要求
1.用于減少未砌襯引水渠道或其它具有粗糙壁面和/或不規(guī)則橫截面的引水渠道中摩擦損失的方法，其特征在于，將一撓性或剛性管道加入引水渠道中，該管道具有一與引水渠道最大的圓形敞開(kāi)的橫截面相同或比它稍小的橫截面；將管道連續(xù)地或在某些點(diǎn)處連接到引水渠道壁上；和加入保證在流動(dòng)期間管道中相對(duì)于管道外部產(chǎn)生高壓的裝置。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用于管道的材料從一撓性的，優(yōu)選的是具有光滑表面的合成織物中選擇。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于管道用剛性、薄壁式管道元件裝配成基本上是剛性結(jié)構(gòu)，上述薄壁式管道元件具有比較低的重量。
4.按照權(quán)利要求1-3其中之一所述的方法，其特征在于上述高壓通過(guò)在管道入口端上游的引水渠道中加入永久狹窄的通路來(lái)得到；并且從那點(diǎn)開(kāi)始橫截面逐漸增加到整個(gè)管道的橫截面；以便流速?gòu)莫M窄通路起逐漸減少，并且其中一部分功能轉(zhuǎn)變成壓力能，狹窄的通路如此定好尺寸，以避免由于壓力波動(dòng)而引起的動(dòng)態(tài)張力，并且管道如果用撓性材料制造，則保持具有近似圓形的橫截面延伸，及穿過(guò)狹窄的通路設(shè)置若干開(kāi)口讓有限量的水從狹窄通路的內(nèi)部流到管道的外部。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于相當(dāng)于管道上游的狹窄通路也加入管道的下游，以便在正常工作下在管道外部保持最小的水流。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于利用連接單元在引水渠道壁的某些點(diǎn)處或是幾乎連續(xù)地沿著引水渠道壁的上部，將管道連接到管道或織物上，再將連接單元連接到軌道上或固定到引水渠道壁上部的同樣裝置上。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于管道上的連接裝置在裝配和拆卸期間可沿著上述軌道裝置活動(dòng)，而且它們可以在軌道裝置上或沿著軌道裝置永久或暫時(shí)鎖定到明顯的位置上。
全文摘要
用于減少未砌襯的引水渠道或其它具有粗糙壁面和/或不規(guī)則橫截面的引水渠道中摩擦損失的方法,將一種撓性或剛性管道加到引水渠道中,并連續(xù)地或在某些點(diǎn)處連接到引水渠道壁的各部分上,上述管道具有類似于或稍小于引水渠道最大的圓形敞開(kāi)橫截面的橫截面。還加進(jìn)了保證在流動(dòng)過(guò)程中在管道內(nèi)部相對(duì)于其外部產(chǎn)生高壓的裝置。
文檔編號(hào)F16L1/00GK1334898SQ99815908
公開(kāi)日2002年2月6日 申請(qǐng)日期1999年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月30日
發(fā)明者湯姆·雅各布森, 拉斯·詹森 申請(qǐng)人:萊夫艾里克松尼弗泰克有限公司