CN101892654B - 锥形漩流竖井 - Google Patents

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Abstract

一种锥形漩流竖井，包括涡室段、与涡室段相接的竖井段，所述涡室段设置有将引渠中的水流从其切向引入涡室的进水口，所述竖井段为上大下小圆锥体。为了进一步提高消能率，在锥形漩流竖井的竖井段井壁上设置了阶梯消能工，所述阶梯消能工的第一级阶梯设置有通气孔，该通气孔由通气管与涡室段顶部联通，以起到掺气减蚀的作用。

Description

锥形漩流竖井
技术领域
本发明属于水利水电工程中使用的漩流竖井，特别涉及一种适用于高水头大流量的漩流竖井。
背景技术
漩流竖井是一种新型泄洪消能设施，由于引渠水流从涡室段的切向进入涡室，绕竖井轴心旋转呈贴壁流动，在竖井中央形成稳定空腔，因而既能保持水流流态的稳定，又能形成良好的通气条件。但是工程实践表明，在大流量和高水头工况下，漩流竖井存在以下问题：1)竖井中流速过高，壁面发生空化空蚀的风险增加；2)由于水流离心力的作用，采用传统的环形掺气坎掺气变得很困难，无法起到掺气减蚀的作用。
公开号为CN101624819A的专利申请公开了一种双涡室掺气型漩流竖井，该双涡室掺气型漩流竖井包括上涡室及其下部的收缩段I、掺气型下涡室及其下部的收缩段II、通气管和竖井段，上涡室下部的收缩段I接掺气型下涡室，掺气型下涡室下部的收缩段II接竖井段，通气管的一端与大气相通，通气管的另一端接掺气型下涡室顶部，使空气从掺气型下涡室顶部进入竖井。此种漩流竖井虽然在大流量、高水头工况下掺气效果明显，水气混合充分，水流的含气量大幅度增加，水流流态稳定，消除了竖井壁面的空化空蚀破坏，但消能率有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种锥形漩流竖井和锥形阶梯漩流竖井，以进一步提高大流量、高水头工况下漩流竖井的消能率。
本发明所述锥形漩流竖井，包括涡室段、与涡室段相接的竖井段，所述涡室段设置有将引渠中的水流从其切向引入涡室的进水口，所述竖井段为上大下的圆锥筒体。圆锥筒体形的竖井段可使进入竖井的水流旋转圈数增加，降低水流流速，增加井壁的壁面压力。
本发明所述锥形阶梯漩流竖井，是在上述锥形漩流竖井的竖井段井壁上增设了阶梯消能工，以进一步提高消能率，所述阶梯消能工的第一级阶梯设置有通气孔，该通气孔由通气管与涡室段顶部联通，以起到掺气减蚀的作用。
本发明所述锥形漩流竖井和锥形阶梯漩流竖井，其竖井段底端设置有消力井，竖井段下部通过反弧段、压坡段与泄洪洞接通，所述反弧段、压坡段的底板与消力井的上沿平齐。
本发明所述锥形阶梯漩流竖井，其阶梯消能工优选起于涡室段与竖井段的连接处，止于竖井段与反弧段的连接处。
通过实验，本发明所述锥形漩流竖井和锥形阶梯漩流竖井优选以下结构参数：
1、涡室段的高度H1＝1.5D1～2.5D1，竖井段的高度H2＝5D1～15D1，竖井段的坡度i1＝1∶10～30，所述D1为涡室段的直径，根据进入竖井的水流流量确定，D1＝(1.05～1.07)Q1/2.5，Q为进入竖井的水流流量。
2、设置在竖井段井壁上的阶梯消能工的各阶梯截面坡度相同、高度相同、水平长度相同，所述阶梯截面坡度i3＝1∶5～10，所述阶梯截面高度H4＝2.5m～3D2，所述阶梯截面水平长度L2＝0.5m～0.3D2，式中D2为竖井段底部最小直径。
3、消力井高度H3为0.5D1～2D1，所述D1为涡室段的直径。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明将竖井段设计为圆锥筒体，可增加竖井中水流旋转圈数，提高消能率，与传统圆筒体型相比，提高消能率至少10％左右；在圆锥筒体竖井段设置阶梯后，阶梯增加水流沿程阻力，进一步提高了效能率，与传统圆筒体型相比，提高消能率至少20％左右，与双涡室掺气型漩流竖井相比，提高消能率约30％。
2、本发明将竖井段设计为圆锥筒体或在圆锥筒体的基础上增设阶梯消能工，突破了现有漩流竖井避免空蚀空化的水力设计理念(现有的漩流竖井都是通过增加掺气措施来降低空蚀空化)，为高水头大流量条件下避免空蚀空化破坏提供了一种不同构思的技术方案。
附图说明
图1是本发明所述锥形漩流竖井的结构示意图；
图2是本发明所述锥形阶梯漩流竖井的结构示意图；
图3是本发明所述锥形阶梯漩流竖井所设置的阶梯消能工的阶梯截面的示意图；
图4是上游引渠及下游直线压坡段、泄洪洞与本发明所述锥型漩流竖井或锥形阶梯漩流竖井的相对位置示意图；
图5是图1、图2的I-I剖面图，该剖面为涡室段的剖面；
图6是图1、图2的II-II剖面图，该剖面为锥形竖井段的剖面；
图7是图1、图2的III-III剖面图，该剖面为压坡段的剖面；
图8是图1、图2的IV-IV剖面图，该剖面为泄洪洞的剖面。
图中，1-引渠、2-涡室段、3-竖井段、4-反弧段、5-直线压坡段、6-泄洪洞、7-消力井、8-挡板、9-阶梯消能工、10-通气管、H0-涡室水头、H1-涡室段高度、H2-竖井段高度、H3-竖井底部消力井高度(竖井底板至下游连接段高度)、D1-涡室段直径、D2-竖井段底部最小直径、B-泄洪洞宽度、H5-泄洪洞高度、L1-压坡段长度、L2-阶梯截面水平长度、H4-阶梯截面高度、i1-竖井段坡度、i2-压坡段坡度、i3-阶梯截面坡度、R-反弧段半径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述锥形漩流竖井和锥形阶梯漩流竖井的结构作进一步说明。
实施例1
本实施例中的的锥形漩流竖井根据某水电站枢纽工程的泄洪洞设计，在校核洪水情况下，泄洪洞设计泄量为272.61m3/s，顶部高程2797m，在2765m处开始收缩接锥型竖井段，竖井泄洪洞底板高程2690m。
本实施例中，锥形漩流竖井的结构如图1、图4所示，包括涡室段2、与涡室段相接的竖井段3；所述涡室段2设置有将引渠1中的水流从其切向引入涡室的进水口，所述竖井段3为上大下小的圆锥筒体。涡室段2与引渠1相接，其相接位置是使引渠中的水流从涡室段切向进入涡室；竖井段3底端设置有消力井7，竖井段3下部通过反弧段4、压坡段5与泄洪洞6接通，所述反弧段4、压坡段5的底板与消力井7的上沿平齐。
本实施例中，进入锥形漩流竖井的水流流量为272.61m3/s，涡室水头H0为30m，锥形漩流竖井的有关结构参数如下：
涡室段2的横截面如图5所示，其直径D1为14m，其高度H1为32m；竖井段3的横截面如图6所示，其坡度i1为1∶15，其高度H2为75m，竖井段底端设置的消力井7的高度H3为10m，底部最小直径D2为4m；反弧段4的半径R为15m；压坡段5的横截面如图7所示，其长度L1为26.25m，坡度i2为1∶15；泄洪洞6为城门洞形，其横截面如图8所示，高度H5为8m，宽度B为5m，洞顶弧形段高度为1.25m。
实施例2
本实施例中的的锥形阶梯漩流竖井根据某水电站枢纽工程的泄洪洞设计，最大下泄流量为1245m3/s，竖井泄洪洞顶部高程1993m，在1953m处开始收缩接锥型阶梯竖井段，竖井泄洪洞底板高程1778m。
本实施例中，锥形阶梯漩流竖井的结构如图2、图4所示，包括涡室段2、与涡室段相接的竖井段3；所述涡室段2设置有将引渠1中的水流从其切向引入涡室的进水口；所述竖井段3为上大下小的圆锥筒体，其井壁上设置有阶梯消能工9(阶梯消能工9起于涡室段2与竖井段3的连接处，止于竖井段3与反弧段4的连接处)，所述阶梯消能工的第一级阶梯设置有通气孔，该通气孔由通气管10与涡室段顶部联通，所述阶梯消能工9的各阶梯截面坡度相同、高度相同、水平长度相同；涡室段2与引渠1相接，其相接位置是使引渠中的水流从涡室段切向进入涡室；竖井段3底端设置有消力井7，竖井段3下部通过反弧段4、压坡段5与泄洪洞6接通，所述反弧段4、压坡段5的底板与消力井7的上沿平齐。
本实施例中，进入锥形阶梯漩流竖井的水流流量为1245m3/s，涡室水头H0为50m，锥形阶梯漩流竖井的有关结构参数如下：
涡室段2的横截面如图5所示，其直径D1为20m，其高度H1为40m；竖井段3的横截面如图6所示，其坡度i1为1∶25，其高度H2为175m，竖井段底端设置的消力井7的高度H3为15m，底部最小直径D2为6m；竖井段设置的阶梯消能工9的阶梯截面如图3所示，为三角形，其水平长度L2为1.2m，高度H4为7.5m，坡度i3为1∶5；反弧段4的半径R为30m；压坡段5的横截面如图7所示，其长度L1为22.75m，坡度i2为1∶13；泄洪洞6为城门洞形，其横截面如8所示，高度H5为8m，宽度B为10m，洞顶弧形段高度为2.25m。

Claims (3)

1.一种锥形漩流竖井，包括涡室段(2)、与涡室段(2)相接的竖井段(3)，所述涡室段(2)设置有将引渠(1)中的水流从其切向引入涡室的进水口，所述竖井段底端设置有消力井(7)，所述竖井段下部通过反弧段(4)、压坡段(5)与泄洪洞(6)接通，其特征在于竖井段(3)为上大下小的圆锥筒体，竖井段(3)的井壁上设置有阶梯消能工(9)，所述阶梯消能工的第一级阶梯设置有通气孔，该通气孔由通气管(10)与涡室段顶部联通；
涡室段(2)的高度H1＝1.5D1～2.5D1，竖井段的高度H2＝5D1～15D1，竖井段的坡度i1＝1∶10～30，所述D1为涡室段的直径。
2.根据权利要求1所述的锥形漩流竖井，其特征在于设置在竖井段(3)井壁上的阶梯消能工的各阶梯截面坡度相同、高度相同、水平长度相同，所述阶梯截面坡度i3＝1∶5～10，所述阶梯截面高度H4＝2.5m～3D2，所述阶梯截面水平长度L2＝0.5m～0.3D2，式中D2为竖井段底部最小直径。
3.根据权利要求1或2所述的锥形漩流竖井，其特征在于阶梯消能工(9)起于涡室段(2)与竖井段(3)的连接处，止于竖井段(3)与反弧段(4)的连接处。
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