CN102787588A

CN102787588A - 一种具有洞塞垂向旋流消能工的竖井

Info

Publication number: CN102787588A
Application number: CN2012102917270A
Authority: CN
Inventors: 张先起; 孙东坡; 徐存东; 刘慧卿; 韩立炜; 张宏洋; 张英克
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2012-11-21

Abstract

本发明涉及具有洞塞垂向旋流消能工的竖井，可有效解决现有的高水头、大流量高坝旋流竖井出现的消能率低、壁面掺气困难、竖井振动大等问题，从而既提高泄流通道的消能率，又减免竖井振动与壁面的空化空蚀破坏现象，其特征在于，涡室经其上的进水口与引水渠连通，涡室上端有通气孔，涡室下端有渐变段，渐变段下端连接有圆筒形的竖井段，竖井段上有多段间隔布置的洞塞体，竖井段底端有水垫池，水垫池上端有与竖井段连通的出水段；本发明将竖井段设计为间隔布置的洞塞旋流消能工，可增加水流的消能效率，避免现有旋流竖井容易出现空蚀空化的问题，同时可有效减少竖井的振动。

Description

一种具有洞塞垂向旋流消能工的竖井

技术领域

本发明涉及水利水电工程中的旋流竖井，特别是一种具有洞塞垂向旋流消能工的竖井。

背景技术

我国在建和拟建高坝较多，泄水建筑物过流量大、流速高，对高水头泄水建筑物病害的整治与预防一直是水利工作者研究的重点和热点，特别是消能、冲刷、空化空蚀、紊流振动等问题更是急需解决的难点。

旋流竖井是一种新型泄洪消能设施，旋流式竖井内消能工的引水道和竖井泄水道不在同一纵轴线上，由于引水道水流从涡室体的切向进入涡室，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，但是工程实践与模型试验表明，在大流量和高水头工况下，传统的旋流竖井消能技术存在以下几个缺点：1、泄流量较小，消能率低；2、竖井中流速过高，竖井振动较强；3、由于水流离心力的作用，传统旋流竖井掺气比较困难，很难起到掺气减蚀的作用。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种具有洞塞垂向旋流消能工的竖井，可有效解决现有的高水头、大流量高坝旋流竖井出现的消能率低、壁面掺气困难、竖井振动大等问题，从而既提高泄流通道的消能率，又减免竖井振动与壁面的空化空蚀破坏现象。

其解决的技术方案是，包括涡室和引水渠，其特征在于，涡室经其上的进水口与引水渠连通，涡室上端有通气孔，涡室下端有渐变段，渐变段下端连接有圆筒形的竖井段，竖井段上有多段间隔布置的洞塞体，竖井段底端有水垫池，水垫池上端有与竖井段连通的出水段；所说的与涡室相连的引水渠平直进水长度L＝2-5D，洞塞体为圆筒形，洞塞体直径D1＝0.7-0.9D，相邻两个洞塞体距离L1＝1.8-2.2D，洞塞体长L2=0.5-1.0D，间隔布置3组，D为竖井段直径。

本发明将竖井段设计为间隔布置的洞塞旋流消能工，可增加水流的消能效率，避免现有旋流竖井容易出现空蚀空化的问题，同时可有效减少竖井的振动。

附图说明

图1为本发明的主视剖面图。

图2为本发明图1中I-I处的剖面结构图。

图3为本发明图1中II-II处的剖面结构图。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1至图3给出，本发明包括涡室和引水渠，涡室1经其上的进水口与引水渠2连通，涡室1上端有通气孔3，涡室1下端有渐变段4，渐变段4下端连接有圆筒形的竖井段5，竖井段5上有多段间隔布置的洞塞体6，竖井段5底端有水垫池7，水垫池7上端有与竖井段5连通的出水段8；所说的与涡室相连的引水渠平直进水长度L＝2-5D，洞塞体为圆筒形，洞塞体直径D1＝0.7-0.9D，相邻两个洞塞体距离L1＝1.8-2.2D，洞塞体长L2=0.5-1.0D，间隔布置3组，D为竖井段直径。

为了保证使用效果，所说的渐变段4为上大下小的锥形体。

所说的涡室1的剖面为圆形，涡室的直径D2＝1.5-2.0D。

所说的引水渠2的剖面为方形，方形的宽度a＝0.1-0.4D2，方形的高度b＝1.1-1.3a，引水渠2宽度方向的中心线与涡室1的竖向轴心线有偏心距R，偏心距R＝0.5-1D，偏心距的存在，可以使水流在涡室1内充分的旋转。

所说的水垫池7为圆筒形，水垫池7的直径与竖井段5的直径D相同，用于保证比较好的出水段流态，便于控制出水段的水流速度，同时减少对下游河床的冲刷。

实施例1：在进口条件23~27m/s和流量2000~3000m³/s的条件下，取竖井直径D=16m，引水道的断面尺寸宽a=10m，高b=12m，引水渠长度L根据大坝实际宽度来定，一般取长度L=2-5D；

一般情况下，偏心距R越大越好，因为偏心距越大，引水渠内的水流对竖井轴线的动量距越大，水流在涡室的旋转会越充分，旋流竖井系统的消能率越高，而且流态也会更好，但是，这往往与高坝坝内宽度相互矛盾，而且偏心距与竖井直径也有联系，是相互影响的，通过理论分析与模型试验，取偏心距R=8.5m；

根据试验，取涡室直径D2=27m，通气孔直径为0.8m，渐变段是涡室与竖井段的连接体，高度取30m；

本发明要求有一定的泄流量，研究可知，当流量增加时，消能工的消能率会降低，故要保证在较大流量的情况下，仍然有相当的消能率，必须增加其它辅助的消能方式，本发明设施在竖井内增加洞塞体，洞塞体的数量及布置需要根据试验结果不断调试，本发明布置为3个洞塞体，直径为D1为14m，高度为15m，间隔布置，间距30m。

为保证出水段流态较好，便于控制出流段的水流速度，同时减少对下游河床的冲刷，在竖井与出流段中间设置水垫池，池深30m，直径与竖井相同，出水段长度根据实际情况而定，满足下游有压出流，这里取出水段直径与竖井段相同。

本发明根据物理模型试验方案，依据某大型水库设计，在设计洪水情况下，上游引水渠水头维持30m，通过本发明设施进行泄洪，具体工作过程如下：

水流通过引水渠引水至涡室，由于水流流向与竖井段轴线不在同一平面上，两者之间形成动量矩，水流在涡室与渐变段下切的同时，沿竖井轴线旋转，水流贴壁运动，高速旋转水流与壁面之间形成摩擦，消杀部分水流能量，通过洞塞体，旋转水流会突扩与突缩，增加了水流的能量损失，同时在洞塞体下部可以进行掺气减蚀，即可减少水流的能量，降低流速，又可以减少竖井段的振动，避免空化空蚀病害的发生；经过3级洞塞体与竖井壁摩擦消能，水流进入水垫池，水流在池内相互碰撞掺混，又消杀部分能量，同时也有利于出水段的平稳泄流。

根据试验结果，本发明与传统竖井消能工相比，在上游水位（水头30m）与竖井直径相同时，泄流量可达2400m³/s，消能率可达86%，发明的新型坝内竖井加洞塞垂向旋流消能工可以提高泄流能力达25%，提高消能率达35％左右。

本发明将竖井段设计为间隔布置的洞塞旋流消能工，可增加水流的消能效率，避免现有旋流竖井容易出现空蚀空化的问题，同时可有效减少竖井的振动，为高水头条件下水库泄流消能提供了一种新颖的设施。

Claims

1.一种具有洞塞垂向旋流消能工的竖井，包括涡室和引水渠，其特征在于，涡室（1）经其上的进水口与引水渠（2）连通，涡室（1）上端有通气孔（3），涡室（1）下端有渐变段（4），渐变段（4）下端连接有圆筒形的竖井段（5），竖井段（5）上有多段间隔布置的洞塞体（6），竖井段（5）底端有水垫池（7），水垫池（7）上端有与竖井段（5）连通的出水段（8）；所说的与涡室相连的引水渠平直进水长度L＝2-5D，洞塞体为圆筒形，洞塞体直径D1＝0.7-0.9D，相邻两个洞塞体距离L1＝1.8-2.2D，洞塞体长L2=0.5-1.0D，间隔布置3组，D为竖井段直径。

2.根据权利要求1所述的具有洞塞垂向旋流消能工的竖井，其特征在于，所说的渐变段（4）为上大下小的锥形体。

3.根据权利要求1所述的具有洞塞垂向旋流消能工的竖井，其特征在于，所说的涡室（1）的剖面为圆形，涡室的直径D2＝1.5-2.0D。

4.根据权利要求1所述的具有洞塞垂向旋流消能工的竖井，其特征在于，所说的引水渠（2）的剖面为方形，方形的宽度a＝0.1-0.4D2，方形的高度b＝1.1-1.3a，引水渠（2）宽度方向的中心线与涡室（1）的竖向轴心线有偏心距R，偏心距R＝0.5-1D。

5.根据权利要求1所述的具有洞塞垂向旋流消能工的竖井，其特征在于，所说的水垫池（7）为圆筒形，水垫池（7）的直径与竖井段（5）的直径D相同。