CN102660940B - 具有多个起旋涡室的旋流竖井 - Google Patents

Abstract

本发明公开的具有多个起旋涡室的旋流竖井，其特征在于该旋流竖井的竖井段的高程上同轴增设有至少一个突扩的起旋涡室，且各增设的起旋涡室与相应的泄水隧洞相连，增设起旋涡室的下部竖井的直径大于或等于上部竖井的直径，处于较低位置泄洪隧洞与增设起旋涡室相连的进口完全位于下泄水流与增设起旋涡室壁面之间形成的侧壁空腔内。本发明设计巧妙，所增设的每一个起旋涡室都可以与一条低水位运行的泄水隧洞相连，并共用同一竖井、压坡段、下平段和与下游河道水流衔接的出口，不仅可大大降低水利工程造价和缩短建设工程周期，避免水利工程枢纽布置的难度，且使用方便灵活，适用性强，特别适用库区水位变动比较大的水利工程。

Description

具有多个起旋涡室的旋流竖井

技术领域

本发明属于水利工程泄水建筑物中的旋流竖井技术领域，具体涉及具有多个起旋涡室的旋流竖井。

背景技术

随着我国现代水利科学技术的不断进步，旋流式竖井泄洪洞作为一种较为新型的消能工在中高水头水电站中得到了广泛的应用。这种旋流式竖井泄洪洞一般是由进口段、上平段、变坡段、起旋涡室、锥形段、竖井、压坡段、下平段等组成，其结构如图1所示。但一方面当库区水位低于上平段进水口底的高程后，水流就无法从这种旋流式竖井泄洪洞下泄，另一方面在高水头水电站中，除了高水位泄洪要求外，往往还有低水位运行要求，例如放空等。目前，为了解决这些问题，所采用的技术解决方案就是另外单独设置一条或在不同高程处设置多条低水位运行的泄水隧洞。很显然，这种技术解决方案不仅会带来比较昂贵的工程造价和较长的建设工期，而且还因一条泄水隧洞就要有一个与下游河道水流衔接的出口，这在高山峡谷地区，会大大增加水利工程枢纽布置的难度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种具有多个起旋涡室的旋流竖井。

本发明提供的具有多个起旋涡室的旋流竖井，其特征在于该旋流竖井的竖井段的高程上同轴增设有至少一个突扩的起旋涡室，优选1-3个，且各增设的起旋涡室与相应的泄水隧洞相连。

为了不影响高水位泄水隧洞的正常运行，增设的突扩起旋涡室下部竖井的直径应大于或等于上部竖井的直径，具体视与增设的突扩起旋涡室相连的泄水隧洞的流量而定。若与增设的突扩起旋涡室相连的泄水隧洞的流量大于更高位置的泄水隧洞的流量时，则此起旋涡室下部竖井的直径需大于上部竖井的直径；若与增设的突扩起旋涡室相连的泄水隧洞的流量小于更高位置的泄水隧洞的流量，则此起旋涡室下部竖井的直径至少需等于上部竖井的直径。

运行时，水流从高位竖井段运动到低位增设起旋涡室处时，由于增设起旋涡室的突扩，下泄水流会脱离壁面，在水流和增设起旋涡室壁面之间形成侧壁空腔。但由于位置更低的增设起旋涡室侧面存在相连的泄水隧洞水流的入口，为了避免位置更高的泄水隧洞运行时，下泄水流从位置较低起旋涡室侧面的进口进入位置较低的泄洪洞内，故较低位置处增设的起旋涡室除了满足水流正常起旋的要求外，还需使处于较低位置泄水隧洞与增设的起旋涡室相连的进口完全位于下泄水流与增设起旋涡室壁面之间形成的侧壁空腔内。

但由于下泄水流与增设起旋涡室壁面之间形成的侧壁空腔在竖直方向的高度和水平方向的宽度要受两个方面的影响：一是增设起旋涡室突扩位置以上的水头和流量的影响，这主要影响此处的水流速度和方向；二是增设起旋涡室突扩的尺寸和增设起旋涡室的高度的影响，当从竖井下泄水流的速度和方向一定时，突扩的尺寸将影响到下泄水流再次附壁点的高度，因为水流在竖井段是旋转着下落的，带有一定的离心力，当增设起旋涡室壁面突扩后，下泄水流虽然在突扩处会临空，但在继续下落的过程中，由于离心力的作用，下泄水流会再向外运动，因此会再次附壁。如何控制下泄水流再次附壁的点位，以保证处于较低位置泄水隧洞与增设起旋涡室相连的进口完全位于下泄水流与增设起旋涡室壁面之间形成的侧壁空腔内，具体的方法有两个，一是改变来流的速度和方向，因来流的速度是很难改变的，但方向可以通过在增设起旋涡室突扩前将上方竖井段进行适当收缩，但具体收缩多少以及收缩的角度需根据试验确定，一般来说，收缩得越多、收缩角度越大，水流再次附壁点的高度会越低，也就是说侧壁空腔越长。二是优化较低位置增设的起旋涡室的直径和高度，这也需通过试验来确定，使下泄水流的附壁点位于较低一级的增设起旋涡室侧面泄水隧洞的进口以下，这样空腔的高度就可满足要求，下泄水流就不会进入较低位置的泄水隧洞内。

以上两个方法的具体实施需要由试验确定的主要原因是：增设起旋涡室及竖井内的水流属于急变流，其能量损失及水流运动方向等均无法根据现有的理论计算得到，加之不同工程又千差万别，因此准确的体形参数只能通过试验来确定。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、由于本发明提供的旋流竖井具有多个起旋涡室，每一个起旋涡室都可以与一条不同水位运行的泄水隧洞相连，也就是说由该旋流竖井可形成一个多条引水道（泄水隧洞）、多个起旋涡室和一同轴竖井、压坡段、下平段构成的结合体，且该结合体只需要有一个与下游河道水流衔接的出口，因而本发明不仅可大大降低水利工程造价和缩短建设工程周期，而且也降低了水利工程枢纽布置的难度。

2、由于本发明提供的旋流竖井具有多个起旋涡室，每一个起旋涡室都可以与一条不同水位运行的泄水隧洞相连，因而既可在高水头水电站的高水位下使用，也可在较低水位的不同情况下使用，因而使用方便灵活，适用性强，特别适用库区水位变动比较大的水利工程（一般的旋流竖井只适用于十几米的水位变化）。

3、由于本发明提供的旋流竖井中增设的突扩起旋涡室的下部竖井的直径可根据更低进口的泄水隧洞的流量大小设计为或大于或等于上部竖井的直径，因而在运行中不会因下部竖井的直径不匹配而影响高水位泄水隧洞的正常运行。

4、由于本发明提供的旋流竖井将与位置更低的起旋涡室侧面相连的泄水隧洞水流的入口设计在完全位于下泄水流与起旋涡室壁面之间形成的侧壁空腔内，因而既可避免位置更高的泄洪洞运行时，下泄水流从位置较低起旋涡室侧面的进口进入位置较低的泄洪洞内，又可使较高位置泄洪洞运行时，较低位置的泄洪洞成为侧空腔的进气通道，保证其正常运行所需的通气量，使水流能够在该处获得充分掺气，且在更大流量时也能够使掺气发展到竖井的整个壁面，以避免空化、空蚀的发生。

5、由于本发明提供的旋流竖井的多个起旋涡室还可以与来自不同方向的低水位运行的泄水隧洞相连（如图3所示），因而可适用于泄水隧洞布置不规则的工程。

6、本发明提供的旋流竖井设计巧妙，易于实施，可在旋流式竖井泄洪洞体型设计中获得广泛应用。

附图说明

图1为现有的常规旋流式竖井泄洪洞的结构示意图；

图2为本发明实施例1给出的具有二个起旋涡室的旋流竖井的结构示意图；

图3为本发明实施例1给出的具有二个起旋涡室的旋流竖井的平面布置示意图；

图4为本发明实施例2给出的具有三个起旋涡室的旋流竖井的结构示意图。

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，在竖井段1同轴增设有一个突扩的起旋涡室2，且该增设的起旋涡室2与较低位置的泄水隧洞3相连，较低位置的泄水隧洞3与较高位置的泄水隧洞4本实施例不位于同一平面，其轴线方向也不相同，见图3。增设起旋涡室2的下部竖井的直径可根据较低位置泄水隧洞3的流量来确定是大于或等于上部竖井的直径。另外，与增设起旋涡室2相连的较低位置泄水隧洞3的进口完全位于下泄水流与增设起旋涡室2壁面之间形成的侧壁空腔5（即虚线范围）内。

实施例2

如图4所示，本实施例给出的旋流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，在竖井段1的高程上同轴增设有二个突扩的起旋涡室2，且该增设的起旋涡室2与较低位置的泄水隧洞3相连，较低位置的泄水隧洞3与较高位置的泄水隧洞4可以位于同一平面，可以不位于同一平面。增设起旋涡室2的下部竖井的直径可根据较低位置泄水隧洞3的流量来确定是大于或等于上部竖井的直径。另外，两个处于较低位置泄水隧洞3分别与两个增设起旋涡室2相连的进口完全位于下泄水流与增设起旋涡室2壁面之间形成的侧壁空腔5（即虚线范围）内。

Claims (3)

1.一种具有多个起旋涡室的旋流竖井，其特征在于该旋流竖井的竖井段的不同高程上同轴增设有至少一个突扩的起旋涡室，且各增设的起旋涡室与相应的泄水隧洞相连，当水流从高位竖井段运动到低位突扩起旋涡室处时，下泄水流会脱离壁面，在水流和起旋涡室壁面之间形成侧壁空腔，在继续旋转下落至竖井段时，由于离心力的作用，会再次附壁运动。

2.根据权利要求1所述的具有多个起旋涡室的旋流竖井，其特征在于增设起旋涡室的下部竖井的直径大于或等于上部竖井的直径。

3.根据权利要求1或2所述的具有多个起旋涡室的旋流竖井，其特征在于处于较低位置泄水隧洞与增设起旋涡室相连的进口完全位于下泄水流与增设起旋涡室壁面之间形成的侧壁空腔内。