CN103374903B - 一种全程掺气的旋流竖井 - Google Patents

Abstract

本发明公开的全程掺气的旋流竖井，包括涡室段（1）、收缩段（2）和竖井段（3），该旋流竖井的竖井段（3）的竖直壁面上沿半径方向向外突扩设置有至少1道贯穿全程的掺气坎（4），该掺气坎（4）在突扩后以光滑曲面渐收至竖井原半径形成的壁面。本发明设置的掺气坎可以保证只要水流贴壁旋转，就会产生掺气空腔，从而使流经整个竖井壁面的水流均为含气浓度较高的掺气水流，以彻底避免竖井壁面出现空化空蚀破坏。该全程掺气的旋流竖井结构简单，容易施工，体型光滑连续，运行安全性高。

Description

一种全程掺气的旋流竖井

技术领域

本发明属于水利工程中旋流竖井的掺气减蚀技术领域，具体涉及一种全程掺气的旋流竖井。

背景技术

旋流式竖井进行泄洪消能是比较理想的一种选择，到目前为止，对旋流式竖井泄洪洞的研究已经比较深入。一般的旋流式竖井泄洪洞由进口段、上平段、变坡段、涡室段、收缩段、竖井段、压坡段、下平段等几个部分组成（如图1所示）。它的主要特点是让水流贴壁涡旋流动使之沿程产生水头损失进行消能，同时不会引起泄水道出口后的雾化及下游的严重冲刷破坏。但是，随着旋流式竖井泄洪洞在高水头、大流量中的运用，所出现的诸如空化、空蚀、脉动、振动等问题也越来越多，特别是流速较大的竖井段。虽然水流旋转下泄过程中卷入了一部分空气形成掺气水流，但是当旋流式竖井泄洪洞的泄流量较大时，竖井壁面的水层较厚，掺气水流不能发展到竖井的壁面来形成有效的掺气水流，因而竖井壁面存在空化空蚀破坏的风险很大。

对于上述问题，专利CN101294377公开了“一种设置有掺气坎的旋流竖井”，其特征在于该旋流竖井是在竖井段中下部壁面设置掺气挑坎（如图2所示），而该掺气挑坎是由与泄洪洞上平段相接后的竖井中部逐渐收缩至中下部壁面突扩形成，水流通过此坎后，虽能形成一环形掺气空腔，使大量的空气从此掺入到水体中，从而降低了环形掺气坎后一定高度范围内的竖井壁面空化空蚀的可能性。但是，由于掺入水中的空气会在流动过程中不断从水中溢出，越往下水中的空气就会越来越少，因此水流流经环形掺气坎一段距离后，水中的空气含量就不能满足掺气减蚀的要求，从而仍然存在空化空蚀的危险，影响竖井旋流泄洪的安全运行。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种全程掺气的旋流竖井，以解决旋流竖井在高水头、大流量中应用时产生的空蚀、空化问题，提高旋流竖井运行的安全性。

本发明提供的一种全程掺气的旋流竖井，包括涡室段、收缩段和竖井段，该旋流竖井的竖井段的竖直壁面上沿半径方向向外突扩设置有至少1道贯穿全程的掺气坎，该掺气坎在突扩后以光滑曲面渐收至竖井原半径形成的壁面。设置的掺气坎可以保证只要水流贴壁旋转，就会产生掺气空腔，从而使流经整个竖井壁面的水流均为含气浓度较高的掺气水流，以彻底避免竖井壁面出现空化空蚀破坏。

对于旋流竖井来说，一般是竖井段的水流速度大于涡室段和收缩段，也就是说竖井段是最容易出现空化空蚀破坏，因此也最需要掺气保护，但若水流速度在收缩段已经较大时，收缩段的壁面也会存在空化空蚀破坏的风险。此时可在收缩段的竖直壁面上也全程设置与竖井段相同的掺气坎，且与竖井段设置的掺气坎相接，从而保护收缩段也不受空蚀、空化破坏。若水流速度在涡室段已经较大时，涡室段的壁面也存在空化空蚀破坏的风险，此时可进一步将涡室段的竖直壁面上也全程设置与竖井段相同的掺气坎，且与竖井段设置的掺气坎相接，从而保护涡室段、收缩段和竖井段都不受空蚀、空化破坏。

以上全程掺气的旋流竖井内设置的掺气坎为1～4道，沿旋流竖井的周向均匀分布。一般来说，掺气坎越多，掺气效果越好，但由于设置过多掺气坎后会使水流流态紊乱，不利于旋流竖井的安全运行，因而可根据旋流竖井的竖井段直径大小来设置的掺气坎。一般来说，竖井段直径大，设置的掺气坎多一点，反之，则少一点。按目前旋流竖井的最大直径12m来看，沿竖井一圈的周长约为36m，这时最多设置4道掺气坎，这样两道掺气坎之间的间距也仅有9m，如果再多，两道掺气坎之间的间距缩小后就会使水流流态紊乱，不利于旋流竖井的安全运行。一般旋流竖井设置2道掺气坎最好，若半径很小也可只设置1道。

以上全程掺气的旋流竖井井底部有一部分消能水体，此处存在一自由表面，掺气坎最低点位于该自由表面附近即可满足竖井全程掺气的需要，但是考虑到结构及施工越简单越好，也可将此掺气坎一直延伸到竖井底板。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明提供的全程掺气的旋流竖井的竖井段全程都设置有掺气坎，可使流经整个竖井壁面的水流均为含气浓度较高的掺气水流，因而竖井壁面可得到了有效的掺气保护，彻底避免水流速度最大的竖井段出现空化空蚀破坏。

2、由于本发明提供的全程掺气的旋流竖井可根据水流速度，在涡室段、收缩段和竖井段壁面全程或者收缩段和竖井段壁面全程都设置掺气坎，因而还能避免涡室段和收缩段出现空化空蚀破坏。

3、本发明提供的全程掺气的旋流竖井构思巧妙，结构简单，容易施工，且体型光滑连续，运行安全性高。

附图说明

图1为现有常规旋流式竖井泄洪洞的结构示意图。

图2为现有技术中设置掺气坎的旋流竖井立体结构示意图。

图3为本发明提供的第一种形式的全程掺气的旋流竖井结构示意图。

图4为图1的A-A俯视图。

图5为图1的B-B剖视图。

图6为本发明提供的第二种形式的全程掺气的旋流竖井结构示意图。

图7为本发明提供的第三种形式的全程掺气的旋流竖井的结构示意图。

图8为图7的B-B剖视图。

图9为本发明提供的第四种形式的全程掺气的旋流竖井结构示意图。

图10为图8的A-A俯视图。

图11为本发明提供的第五种形式的全程掺气的旋流竖井结构示意图。

图12为图11的B-B剖视图。

图13为本发明提供的第六种形式的全程掺气的旋流竖井结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

实施例1

本实施例给出的全程掺气的旋流竖井如图3所示，该旋流竖井是在常规竖井泄洪洞的收缩段2以下、竖井下平段5出口以上的整个竖井段3的竖直壁面上沿半径方向向外突扩设置有2道贯穿全程的掺气坎4，该掺气坎4在突扩后以光滑曲面渐收至竖井3原半径形成的壁面，见图4。设置的掺气坎4可以保证水流在贴壁旋转时，就会产生掺气空腔6，从而使流经整个竖井3壁面的水流均为含气浓度较高的掺气水流，以彻底避免竖井壁面出现空化空蚀破坏。

从图5中可看到，当水流从涡室段1和收缩段2旋流而下流至竖井段3竖直设置的掺气坎4处时，水流会突然脱壁，形成掺气空腔6，水流的高速运动即可从掺气空腔6处持续地带入大量空气掺入水流中。水流经过掺气坎4后又会继续贴壁旋转，但因其中以掺入了大量气体，就不会对竖井壁面造成空化空蚀破坏。当水流向下运动到对称的另一道掺气坎时同样会在该处形成掺气空腔6，掺入大量空气。水流在过掺气坎4后又再次附壁，然后贴壁旋转，经半圈后再次经过第1道掺气坎4并形成掺气空腔，如此周而复始直至进入竖井底部的水垫。也就是说流经整个竖井3壁面的水流每流动半圈就会遇到一道掺气坎4，从而掺入大量的空气，保证整个竖井壁面的掺气浓度都很高，彻底避免竖井壁面出现空化空蚀破坏。

实施例2

本实施例给出的全程掺气的旋流竖井如图6所示，与实施例1给出的全程掺气的旋流竖井的不同之处在于：竖井段3设置的两道掺气坎4一直延伸到竖井底板，这样有利于施工简便。其余因与实施例1完全相同，略。

实施例3

本实施例中给出的全程掺气的旋流竖井如图7、8所示，与实施例1给出的全程掺气的旋流竖井的不同之处在于：1）竖井段3设置的两道掺气坎4一直延伸到竖井底板；2）竖井段3全程设置了4道掺气坎，4道掺气坎在竖井段圆周方向上均匀分布。其余因与实施例1完全相同，略。

实施例4

本实施例中给出的全程掺气的旋流竖井如图9、10所示，与实施例1给出的全程掺气的旋流竖井的不同之处在于：1）旋流竖井的涡室段1和收缩段2的竖直壁面上也全程设置有与竖井段3相同的掺气坎4；2）旋流竖井的涡室段1和收缩段2的竖直壁面上设置的掺气坎4为2道，且与竖井段3设置的掺气坎4相接。其余因与实施例1完全相同，略。

实施例5

本实施例中给出的全程掺气的旋流竖井如图11、12所示，与实施例4给出的全程掺气的旋流竖井的不同之处在于：只设置了1道掺气坎4。其余因与实施例4完全相同，略。

实施例6

本实施例中给出的全程掺气的旋流竖井如图13所示，与实施例1给出的全程掺气的旋流竖井的不同之处在于：收缩段2的竖直壁面上也全程设置有与竖井段3相同的掺气坎4，且与竖井段3设置的掺气坎4相接。其余因与实施例1完全相同，略。

Claims (5)

1.一种全程掺气的旋流竖井，包括涡室段（1）、收缩段（2）和竖井段（3），其特征在于该旋流竖井的竖井段（3）的竖直壁面上沿半径方向向外突扩设置有至少1道贯穿全程的掺气坎（4），该掺气坎（4）在突扩后以光滑曲面渐收至竖井原半径形成的壁面，以使流经整个竖井壁面的水流均为掺气水流。

2.根据权利要求1所述全程掺气的旋流竖井，其特征在于该旋流竖井的收缩段（2）的竖直壁面上也全程设置有与竖井段（3）相同的掺气坎（4），且与竖井段（3）设置的掺气坎（4）相接。

3.根据权利要求2所述全程掺气的旋流竖井，其特征在于该旋流竖井的涡室段（2）的竖直壁面上也全程设置有与竖井段（3）和收缩段（2）相同的掺气坎（4），且与竖井段（3）和收缩段（2）设置的掺气坎（4）相接。

4.根据权利要求1或2或3所述全程掺气的旋流竖井，其特征在于该旋流竖井内设置的掺气坎（4）为1～4道，并沿旋流竖井的周向均匀分布。

5.根据权利要求1或2或3所述全程掺气的旋流竖井，其特征在于该旋流竖井内设置的掺气坎（4）为2道，并沿旋流竖井的周向均匀分布。