CN102409642B - 渐缩突扩式内流消能工 - Google Patents
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Abstract
一种渐缩突扩式内流消能工，由基体和基体内设置的过流孔组成，所述过流孔为进口大于出口的收缩圆锥台形孔，过流孔进口直径与泄洪洞洞径D1相同，过流孔出口直径D2＝0.1D1～0.7D1，过流孔的长度与基体的长度相同均为L0，所述L0＝0.4D1～2.5D1。所述渐缩突扩式内流消能工在有压泄洪洞消能中应用，使用时，将至少一个渐缩突扩式内流消能工设置在有压泄洪洞内。当所述渐缩突扩式内流消能工至少为两个时，相邻消能工之间的间距至少为2D1，所述D1为泄洪洞的洞径。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程中使用的消能设施，特别涉及一种用于有压泄洪洞消能的消能工。
背景技术
Samuel O.Russell等在1967年公开了一种利用水流的突缩突扩造成水头损失进行消能的方法(参见Samuel O.Russell，James W.Ball.Sudden-enlargement energy dissipator for Micadam.Journal ofthe hydraulics division ASCE，7(1967)：41～56)，此种结构的消能工结构复杂，施工工程量大，只适用于运行水头低、运行流量小的工程，当水头超过100m后，消能工本身易空蚀破坏。
中国专利ZL200610021207.2公开了一种洞塞消能工，所述洞塞消能工虽然较好地解决了高水头下泄洪洞内的消能问题，但在高水头下其进口段容易空化。为了适应高水头工作条件，在应用时，需要扩大进口及出口面积，即增大面积突缩比，这样就降低了单级洞塞的消能率，从而需要设置多级洞塞消能工(其实施例中为3级)才能满足工程消能要求，而洞塞消能工级数的增加，势必增加工程造价和延长建设周期。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种渐缩突扩式内流消能工，以解决消能工进口段在高水头工作条件下的空化问题和提高单级消能工的消能率，从而减少消能工的级数。
试验表明，有压突扩流附近的空化泡主要在水体内部溃灭，在一定的突扩比时，无空化泡在隧洞边壁溃灭(如图1)，也即突扩流后即使发生了空化也不会造成洞壁的空蚀破坏，因此可以充分发挥突扩流的消能作用，而不必担心面积突扩比太大而产生的空化问题，但对于进口段则不宜采用突缩结构，以避免进口段的空蚀破坏。
基于以上研究成果，本发明设计了一种渐缩突扩式内流消能工。本发明所述渐缩突扩式内流消能工，由基体和基体内设置的过流孔组成，所述过流孔为进口大于出口的收缩圆锥台形孔，过流孔进口直径与泄洪洞洞径D1相同，过流孔出口直径D2＝0.1D1～0.7D1，过流孔的长度与基体的长度相同均为L0，所述L0＝0.4D1～2.5D1。本发明所述渐缩突扩式内流消能工用常规混凝土制作。
本发明所述渐缩突扩式内流消能工在有压泄洪洞消能中应用，使用时，将至少一个渐缩突扩式内流消能工设置在有压泄洪洞内。当渐缩突扩式内流消能工至少为两个时(即使用两级或两级以上消能工时)，相邻消能工之间的间距至少为2D1，所述D1为泄洪洞的洞径。
本发明所述渐缩突扩式内流消能工有明显的整流作用，其出口处的轴向流速ux远大于径向脉动流速u’y(见图4)，出口处的空化泡溃灭于水体内部，且远离边壁，因此空化对泄洪洞边壁的影响甚小。
本发明具有以下有益效果：
1、抗空蚀性能好，因该消能工进口直径与泄洪洞洞径相同，且过流孔逐渐收缩，故消能工进口段及消能工内部压强均为正压，其进口段及消能工基体其它部位不会出现空蚀；在一定的流速和压力下，消能工出口后可能出现空化现象，但因空化泡溃灭于水体内部，故空化对泄洪洞边壁的影响甚小。
2、使用本发明所述渐缩突扩式内流消能工，可根据不同的工程条件方便地设计消能工出口直径，当采用一级渐缩突扩式内流消能工不能满足要求时，可采用多级渐缩突扩式内流消能工。
3、本发明所述渐缩突扩式内流消能工与ZL200610021207.2公开的洞塞消能工相比，不仅有效解决了消能工进口段在高水头工作条件下的空化问题，而且可提高单级消能工的消能率，减少消能工的级数(见实施例3、实施例4)。
4、由于制作材料为常规混凝土，因而造价低廉。
5、结构简单，便于设计施工。
附图说明
图1是突扩流空化泡溃灭位置示意图；
图2是本发明所述渐缩突扩式内流消能工的一种结构示意图；
图3是图2的A-A剖视图；
图4是水流经过本发明所述渐缩突扩式内流消能工的流动示意图；
图5是在某大型电站的泄洪洞使用一级渐缩突扩式内流消能工的一种布置示意图，该图还表明了所述内流消能工与泄洪洞的组装方式。
图6是在某大型电站的泄洪洞使用两级渐缩突扩式内流消能工的一种布置示意图，该图还表明了所述内流消能工与泄洪洞的组装方式。
图中，1-基体、2-过流孔进口、3-过流孔出口、4-泄洪洞、5-渐缩突扩式内流消能工、6-第一级渐缩突扩式内流消能工、7-第二级渐缩突扩式内流消能工。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明所述渐缩突扩式内流消能工及其应用作进一步说明。
实施例1
本实施例中，渐缩突扩式内流消能工的结构如图2、图3所示，由基体1和基体内所设置的过流孔组成，所述过流孔为进口2大于出口3的收缩圆锥台形孔。
本实施例所述渐缩突扩式内流消能工用于洞径D1＝20m的泄洪洞消能，有关尺寸如下：过流孔进口直径＝泄洪洞洞径D1＝20m，过流孔出口直径D2＝0.415 D1＝8.3m，过流孔的长度与基体的长度相同均为L0，所述L0＝0.5 D1＝10m。本实施例所述渐缩突扩式内流消能工用常规混凝土制作。
实施例2
本实施例中，渐缩突扩式内流消能工的结构如图2、图3所示，由基体1和基体内所设置的过流孔组成，所述过流孔为进口2大于出口3的收缩圆锥台形孔。
本实施例所述渐缩突扩式内流消能工用于洞径D1＝20m的泄洪洞消能，有关尺寸如下：过流孔进口直径＝泄洪洞洞径D1＝20m，过流孔出口直径D2＝0.4 D1＝8.0m，过流孔的长度与基体的长度相同均为L0，所述L0＝0.5 D1＝10m。本实施例所述渐缩突扩式内流消能工用常规混凝土制作。
实施例3
本实施例为某大型电站的导流洞改建成的泄洪洞，泄洪洞的洞径D1为20m，最大水头200m，下泄流量2600m3/s，布置了一级渐缩突扩式内流消能工，如图5所示。
本实施例中使用的渐缩突扩式内流消能工5为实施例1所述结构和尺寸的渐缩突扩式内流消能工。水流经过该消能工后，测压管水头降低了79m，即消能水头为79m。本实施例中，仅采用一级渐缩突扩式内流消能工即能满足工程的消能要求，且所述消能工的进口段无空化。
实施例4
本实施例为某大型电站的导流洞改建成的泄洪洞，泄洪洞的洞径D1为20m，最大水头200m，下泄流量2600m3/s，布置了两级渐缩突扩式内流消能工，如图6所示。
本实施例中，第一级渐缩突扩式内流消能工6的结构和尺寸如实施例2所述，第二级渐缩突扩式内流消能工7的结构和尺寸如实施例1所述，两级消能工之间的间距为60m(＝3D1)。水流经过第一级渐缩突扩式内流消能工6后，测压管水头降低了87m，即消能水头为87m。水流经过第二级渐缩突扩式内流消能工7后，消能水头为79m。本实施例在泄洪洞出口不设置任何消能设施的情况下，通过设置两级渐缩突扩式内流消能工，即满足了工程的消能要求，且所述消能工的进口段无空化。
从上述实施例可以看出，在相同的工作条件下，使用本发明所述渐缩突扩式内流消能工比使用ZL200610021207.2专利所公开的洞塞消能工可减少消能工级数，且本发明所述渐缩突扩式内流消能工的进口段无空化。
Claims (3)
1.一种渐缩突扩式内流消能工，由基体(1)和基体内设置的过流孔组成，所述过流孔为进口(2)大于出口(3)的收缩圆锥台形孔，其特征在于过流孔进口直径与泄洪洞洞径D1相同，过流孔出口直径D2＝0.1D1～0.7D1，过流孔的长度与基体的长度相同均为L0，所述L0＝0.4D1～2.5D1。
2.权利要求1所述渐缩突扩式内流消能工在有压泄洪洞消能中的应用，将至少一个权利要求1所述渐缩突扩式内流消能工设置在有压泄洪洞内。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于当所述渐缩突扩式内流消能工至少为两个时，相邻渐缩突扩式内流消能工之间的间距至少为2D1，所述D1为泄洪洞的洞径。
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