CN102605752B - 一种旋流跌水竖井 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种旋流跌水竖井是在竖井下段流速较高的位置对应的高程上方壁面设置一环向突扩，并使环向突扩以下竖井内壁的直径逐渐扩大形成梯形剖面，在环向突扩上或水面以上的梯形剖面的井壁上设置有与大气相通的至少一个通气孔。本发明设置的环向突扩和环向突扩以下的竖井内壁的直径逐渐扩大形成的梯形剖面，不仅可使高速水流从环向突扩点起就脱离竖井壁面向下跌落，还可使发生横向扩散的高速跌落水流不再接触竖井壁面，并通过环向突扩上或水面以上的梯形剖面的井壁上布置的与大气相通的通气孔，保证了水体与井壁之间为空气，因而实现了水体自环向突扩点以下至进入水垫这一区域为自由跌流，从而可彻底避免旋流竖井壁面的空化空蚀问题。

Description

一种旋流跌水竖井
技术领域
本发明属于水利水电工程泄水建筑物中的旋流竖井防空化空蚀技术领域，具体涉及一种旋流跌水竖井。
背景技术
如图1所示的旋流竖井泄洪洞作为一种较为新型的消能工，近年来在水头相对较低(50～100m)的水利水电工程中得到了较好运用，特别是其转弯的灵活性，更是受到水利水电工程技术人员青睐，现已有逐渐向高水头(100～300m)水利水电工程推广应用的趋势。
但在高水头水电站中应用竖井旋流泄洪洞时，由于沿竖井壁面损失的能量远小于高差所带来的能量，因此竖井的下段的流速会越来越大。经本发明人模型试验研究发现，有些工程中竖井下段的流速达到甚至超过了40m/s，此时竖井壁面的水流空化数非常小，很容易发生空化空蚀破坏。
为了解决这一问题，CN101294377公开了一种设置有掺气坎的旋流竖井，该旋流竖井虽然在竖井段中下部壁面设置掺气挑坎，并使射流水股下缘在行进过程中，最终扩散掺气形成掺气水流，但由于壁面的摩擦阻力影响，竖井下段的水流受到离心力的作用已经不明显，“旋流”的水平分速度已经比较小，而垂向分速度较为巨大，特别是在1000～1200m3/s以上的大流量的情况下，水层的厚度又相对较厚，致使旋转水流的掺气作用不能完全发展到整个竖井的壁面，而出现掺气不足的问题，加上诸多因素，如施工的平整度，材料的强度不理想等的共同作用下，该段仍然比较容易发生空化空蚀破坏，从而给旋流竖井的运行带来安全问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种旋流跌水竖井，该旋流竖井既能适用于在较高水头情况下的应用，又能实现在大流量下竖井壁面不致于出现空化空蚀破坏。
本发明提供的一种旋流跌水竖井，其特征在于该旋流跌水竖井是在竖井下段流速较高、水流空化数较小位置对应的高程上方壁面设置一环向突扩，并使环向突扩以下竖井内壁的直径逐渐扩大形成梯形剖面，在环向突扩上或水面以上的梯形剖面的井壁上设置有至少一个通气孔，每个通气孔中都插接有与大气相通的通气管。
上述的旋流跌水竖井中环向突扩以下竖井井壁的每一高度处均与发生横向扩散的水体边缘保持至少2m的距离。
对于竖井下段的高流速区的确定，可采用能量方程通过简单的计算或者通过试验找到高流速区，这些都是本领域技术人员公知的常识。本发明推荐环向突扩设置在水流速度大于30m/s的地方。
由于本发明在竖井壁面流速较高、水流空化数较小、将会出现空化空蚀破坏的位置对应的高程以上设置了一环向突扩，因而使高速水流从环向突扩点起就脱离竖井壁面向下跌落，但是由于此时的水流仍然存在旋转运动，使水流脱离竖井壁面后的下落过程中仍会发生横向扩散。为了使得高速运动的水流不再接触竖井壁面，本发明将环向突扩以下的竖井内壁的直径逐渐扩大形成梯形剖面，优选环向突扩以下竖井跌水区井壁在每一高度处均与发生横向扩散的水体边缘保持至少2m的距离，并通过环向突扩上或水面以上的梯形剖面的井壁上均布的与大气相通的通气孔，使空气进入竖井，以保证水体与井壁之间为空气。因而实现了水体自环向突扩点以下至进入水垫这一区域为自由跌流，不再与壁面接触，从而可彻底避免旋流竖井壁面的空化空蚀问题，并且在竖井的底部形成自由跌水的水垫消能区。
本发明与现有技术相比，除了具有以上优势外，还具有以下优点：
1.由于本发明高速水流经竖井环向突扩点跌水进入水垫消能时将卷入大量空气，并且随着水流的流动，部分空气将随水流进入下平段，为了保证运行时空气区域的稳定，必需有补气通道，除了跌水水流与竖井壁面之间区域的空气由环向突扩上或水面以上的梯形剖面的井壁上均布的与大气相通的通气孔提供外，跌水水流中心区域的空气，可通过竖井中心的涡腔和涡室顶部与大气相通提供，
2.由于水流进入本发明竖井下部的消能区时，水流的内侧与外侧均为消能区的消能水体，即水流的两侧均受到剪切消能作用(剪切消能被公认为是消能区的主要消能因素)，因而其剪切消能效果明显好于一般的旋流竖井(水流贴着壁面运动进入竖井下部的消能区，只有水流内侧与消能水体发生剪切消能作用)的消能效果。
附图说明
图1为一般旋流竖井泄洪洞的立面结构示意图；
图2为本发明提供的通气孔设置在环向突扩上的旋流跌水竖井的立面结构示意图；
图3为本发明提供的通气孔设置在水面以上的梯形剖面井壁上的旋流跌水竖井的立面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
如图2所示，本实施例给出的旋流跌水竖井是在设置有竖井旋流消能的泄洪洞组成的水工设施的基础上，在竖井1下段水流速度大于30m/s位置对应的高程上方壁面设置一环向突扩2，环向突扩2以下竖井内壁的直径逐渐扩大形成梯形剖面3，并使梯形剖面3段井壁的每一高度处均与发生横向扩散的水体边缘保持至少2m的距离。在环向突扩上均布二个通气孔4，每个通气孔4中都插接有与大气相通的通气管5。
图中跌水区的竖向虚线为水流轨迹线6，跌水区的水平虚线为水面线7(由于此区域的水面波动较大，并且大量掺气，位置会有些波动，因此以虚线表示)。
实施例2
本实施例给出的旋流跌水竖井除了在环向突扩2上只设置有一个通气孔4和相应的通气管5外，其余结构与实施例1完全相同，故略去不述。
实施例3
如图3所示，本实施例给出的旋流跌水竖井是在设置有竖井旋流消能的泄洪洞组成的水工设施的基础上，在竖井1下段水流速度大于30m/s位置对应的高程上方壁面设置一环向突扩2，环向突扩2以下竖井内壁的直径逐渐扩大形成梯形剖面3，并使梯形剖面3段井壁的每一高度处均与发生横向扩散的水体边缘保持至少2m的距离。在水面以上的梯形剖面3的井壁上均布二个通气孔4，每个通气孔4中都插接有与大气相通的通气管5。
图中跌水区的竖向虚线为水流轨迹线6，跌水区的水平虚线为水面线7(由于此区域的水面波动较大，并且大量掺气，位置会有些波动，因此以虚线表示)。
实施例3
本实施例给出的旋流跌水竖井除了在水面以上的梯形剖面3的井壁上均布有四个通气孔4和相应的通气管5外，其余结构与实施例3完全相同，故略去不述。

Claims (2)

1.一种旋流跌水竖井，其特征在于该旋流跌水竖井是在竖井(1)下段流速较高、水流空化数较小位置对应的高程上方壁面设置一环向突扩(2)，并使环向突扩(2)以下竖井内壁的直径逐渐扩大形成梯形剖面(3)，在环向突扩(2)上或水面以上的梯形剖面(3)的井壁上设置有至少一个通气孔(4)，每个通气孔(4)中都插接有与大气相通的通气管(5)。
2.根据权利要求1所述的旋流跌水竖井，其特征在于环向突扩(2)以下竖井井壁的每一高度处均与发生横向扩散的水体边缘保持至少2m的距离。
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