CN106381832B - 一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，属于水利工程技术领域，包括上水箱、下水箱、进水口、用于平稳进水口水流的稳水机构、消涡发电机构、导墙、边墙、角度调节装置、能在三维空间内移动的支架；上水箱模拟不同水位、不同来流方向、不同进水口形式、不同流量大小下的漩涡，从下水箱引水，形成一个水循环系统。消涡发电机构上的消涡转轮由漩涡带动旋转；消涡转轮部位本身阻断了漩涡的流线，分散其流速分布，降低速度梯度，达到了消除吸气漩涡的效果。本发明专利所提出的消涡发电结构设计合理，适用性强，可以代替消涡梁等水工建筑物，削弱乃至隔绝气蚀漩涡；同时也能够高效利用水漩涡来带动消涡转轮旋转，从而带动发电机发电。

Description

一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置

技术领域

本发明涉及一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，属于水利工程技术领域。

背景技术

在水利工程中，水工建筑物的进水口出现立轴漩涡的现象很普遍，这是一种源于自由表面的流动现象，主要作用力是重力。在水工建筑物进水口、有压引水式进水口以及井式溢洪道等处，特别是在水位较低的情况下，其进水口前的漩涡问题显得尤为突出。对于大型电站，围堰挡水期低水位发电时期也存在常出现吸气漩涡的问题。这些漩涡的产生一方面会形成高速旋转水流，具有较大的能量；另一方面，漩涡在产生过程中很容易吸入空气，形成表面凹陷漩涡、间歇吸气漩涡和贯通吸气漩涡，若不加以控制，会造成严重的后果，对工程危害较大，如减少进流量、降低流量系数、引起机组或结构物的振动、降低机组效率等。尤其底部孔口如有水面漩涡，可减少泄流能力2/3，甚至达到80％，有洪水漫坝的危险。

目前消除漩涡最简单且广泛采用的方法就是保证压力进水口前的淹没水深超过临界水深，合适的不吸气最小淹没水深即为临界水深。当进水口型式一定时，临界淹没水深值主要与弗汝德数、环量及雷诺数等有关。由于临界淹没水深的影响因素众多，其计算公式也很多，由于研究方式和进水条件不一样，得出的临界淹没水深公式差异很大。但单纯增加淹没水深来避免吸气漩涡对工程并不经济。此外，在实际工程中也常常单独设计建造消涡设施，其造价非常高，但在很多工程上效果并不如预期。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，不仅能够模拟在不同水位、不同来流方向、不同进水口形势、不同流量大小下的漩涡，通过调节消涡转轮的位置实现漩涡消涡，而且还能通过消涡转轮带动发电机工作实现发电，节约了能源。

为达到上述目的，本发明提供一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，其特征在于，包括上水箱、下水箱、进水口、用于平稳进水口水流的稳水机构、消涡发电机构、导墙、边墙、角度调节装置、能在三维空间内移动的支架；

所述上水箱的顶壁上开设有一敞口，所述稳水机构设置在所述上水箱中，所述稳水机构包括能让水流通过的孔；

所述进水口开设在所述上水箱上，所述进水口位于所述稳水机构的左侧；

所述导墙设置在所述上水箱内，所述导墙配合所述上水箱形成一个四面侧壁与底壁密封的腔室，所述腔室的底壁上开设有一底孔，所述腔室位于所述稳水机构的右侧；所述导墙包括若干个等间距分布且可调节角度的叶片；

所述边墙设置在所述腔室内，所述边墙的底端与所述腔室的底壁铰接，所述边墙上开设有一侧孔；

所述边墙的底边、侧边与所述腔室密封设置形成一个耳腔室，所述角度调节装置设置在所述耳腔室中，所述角度调节装置连接所述边墙，所述底孔位于耳腔室外；所述底孔、所述侧孔均分别通过软管连接所述下水箱，所述软管上分别相对应地设置有底阀门、侧阀门；

所述消涡发电机构设置在所述支架上，所述支架设置在所述腔室的上方，所述消涡发电机构包括消涡转轮和转轴，所述转轴的下端连接所述消涡转轮。

优先地，所述稳水机构包括多孔墙和稳水格栅；所述多孔墙和所述稳水格栅平行设置，所述多孔墙和所述稳水格栅的侧边、底边均与所述上水箱的内壁密封连接，所述多孔墙上开设有多行等间距排列的圆孔，所述稳水格栅上开设有多个等间距排列的格栅。

优先地，所述消涡发电机构包括发电机，所述支架包括平移支架平台和升降支架平台；所述发电机固定设置在所述升降支架平台上，所述升降支架平台滑动连接所述平移支架平台，所述平移支架平台滑动连接所述腔室的顶壁；所述发电机的输出轴固定连接所述转轴的上端。

优先地，所述导墙包括导墙a和导墙b；所述导墙a垂直于导墙b，所述导墙a和所述导墙b均包括多个等间距排列的叶片。

优先地，所述角度调节装置包括液压杆和液压装置；所述液压杆的一端连接所述液压装置，所述液压杆的另一端连接铰接所述边墙。

优先地，还包括水泵消能装置；所述水泵消能装置设置在所述进水口处；所述水泵消能装置包括两个消能板；所述消能板上开设有多个圆孔，所述消能板的四角均设置有支脚，一个所述消能板固定设置在另一个所述消能板上。

优先地，还包括溢流板；所述溢流板设置在所述上水箱中且在所述稳水机构的左侧，所述溢流板的侧壁滑动连接所述上水箱、所述多孔墙的侧壁形成一个泄洪室，所述泄洪室的底壁上设置有一泄水孔，所述进水口位于所述泄洪室外。

优先地，还包括水泵，所述下水箱设置在所述上水箱的下方，所述水泵设置在所述下水箱中，所述水泵通过水管连接所述进水口。

优先地，所述边墙与所述腔室接触的边缘设置有橡胶。

优先地，所述软管的材质为塑料，所述转轴的材质为不锈钢。

本发明所达到的有益效果：

(1)本发明装置通过模拟实际水利工程中的漩涡结构，在易生漩涡处通过消涡转轮有效地减小漩涡的高度和直径，起到削弱乃至隔绝气蚀漩涡的作用，使得相关领域的技术人员能够直观、立体的了解实际情况，消涡效果好，降低了工程的费用，一定程度上延长了下游电站水轮机的使用寿命，提高下游水电站的工作效率，

(2)本发明专利所提出的消涡发电结构设计合理，适用性强，可以代替消涡梁等水工建筑物，通过漩涡带动消涡转轮转动吸收漩涡能量，从而加大进水口的过水能力。

(3)本发明高效利用水漩涡来带动消涡转轮旋转，从而带动发电机发电，可用于给城市供电，产生一定的经济效益，符合可持续发展的理念。

(4)从教学试验角度，本装置中的水循环系统和模拟漩涡发生装置可以模拟漩涡的生成，控制漩涡形态(底孔漩涡和侧孔漩涡)，为今后利用漩涡或消涡试验提供了必要的条件。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明的结构图。

图3是本发明的正视图。

图4是本发明的俯视图。

图5是本发明中消涡发电机构的结构图。

图6是本发明中边墙以及液压装置的示意图。

图7是本发明中水泵消能装置的结构图。

图8是本发明中角度可调的导墙的示意图。

图9是本发明中当导墙a关闭而导墙b开启的示意图。

图10是本发明中当导墙b关闭而导墙a开启的示意图。

附图中标记含义，1-上水箱；2-下水箱；3-水泵；4-侧阀门；5-底阀门；6-水管；7-消涡发电机构；8-升降支架平台；9-进水口；10-水泵消能装置；11-溢流板；12-多孔墙；13-稳水格栅；14-导墙a；15-导墙b；16-底孔；17-侧孔；18-边墙；19-软管；20-橡胶；21-液压装置；22-液压杆；23-消涡转轮；24-转轴；25-发电机；26-泄水孔；27-平移支架平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，包括上水箱1、下水箱2、进水口9、用于平稳进水口9水流的稳水机构、消涡发电机构7、导墙、边墙18、角度调节装置、能在三维空间内移动的支架；

上水箱1的顶壁上开设有一敞口，稳水机构设置在上水箱1中，稳水机构包括能让水流通过的孔；下水箱2设置在上水箱1的正下方；

进水口9开设在上水箱1的底壁上，进水口9位于稳水机构的左侧；

导墙设置在上水箱1内，导墙配合上水箱1形成一个四面侧壁与底壁密封的腔室，腔室的底壁上开设有一底孔16，腔室位于稳水机构的右侧；导墙包括若干个等间距分布且可调节角度的叶片；

如图2所示，边墙18设置在腔室内，边墙18的底端与腔室的底壁铰接，边墙18上开设有一侧孔17；上水箱上设有底孔和侧孔两种形式的出流孔，可以分别模拟底孔产生的立轴漩涡和侧孔产生的横向漩涡，使实验更具普遍性。

边墙18的底边、侧边与腔室密封设置形成一个耳腔室，角度调节装置设置在耳腔室中，角度调节装置连接边墙18，底孔16位于耳腔室外；底孔16、侧孔17均分别通过软管19连接下水箱2，软管19上分别相对应地设置有底阀门5、侧阀门4；通过调节底阀门5、侧阀门4的开度，可以达到模拟不同流量下的漩涡的目的。

消涡发电机构7设置在支架上，支架设置在腔室的上方，消涡发电机构7包括消涡转轮23和转轴24，转轴24的下端连接消涡转轮23。

稳水机构包括多孔墙12和稳水格栅13；多孔墙12和稳水格栅13平行设置，多孔墙12和稳水格栅13的侧边、底边均与上水箱1的内壁密封连接，多孔墙12上开设有多行等间距排列的圆孔，稳水格栅13上开设有多个等间距排列的格栅。在上水箱内布置多孔墙12和稳水格栅13用于稳定水流，尽量减少由于人为原因造成水流冲击而对实验产生的干扰，模拟水工建筑物等进水口出的较平稳状态，使实验更接近实际情况。

如图5所示，消涡发电机构7包括发电机25，支架包括平移支架平台27和升降支架平台8；发电机25固定设置在升降支架平台8上，升降支架平台8滑动连接平移支架平台27，平移支架平台27滑动连接腔室的顶壁；所述支架在三维方向上进行运动进而改变消涡转轮浸没于水中的位置与深度，以适应不同工况下的漩涡，更好地进行消涡发电。消涡发电装置上的消涡转轮23由来自进水口处水流产生的漩涡带动，以水体向下流动所产生的旋转力为动力，并充分利用水的自重力和大气层压力，作用在消涡转轮23上带动消涡转轮23旋转，并通过转轴24传递作用带动发电机25的转子旋转切割定子发出的磁感进行发电。消涡发电装置上的消涡转轮叶片能够隔绝空气，避免产生气旋，同时叶片本身阻断了漩涡的流线，分散其流速分布，降低速度梯度，漩涡转移到了消涡转轮上方，达到了消除吸气漩涡的效果。

导墙包括导墙a14和导墙b15；导墙a14垂直于导墙b15，如图8所示，导墙a14和导墙b15均包括多个等间距排列的叶片。导墙a14和导墙b15上的叶片可以调节角度，用于模拟不同方向的来流条件，使得本发明装置的功能更加多元化。

如图6所示，角度调节装置包括液压杆22和液压装置21；液压杆22的一端连接液压装置21，液压杆22的另一端连接铰接边墙18的侧壁，边墙18可以通过液压装置21调节角度，以模拟不同的倾角对侧孔处漩涡产生的影响；边墙18与腔室接触的边缘设置有橡胶，边墙18的三边通过橡胶实现密封和止水。

如图7所示，本发明还包括水泵消能装置10；水泵消能装置10设置在进水口9处；水泵消能装置10包括两个消能板；消能板上开设有多个圆孔，消能板的四角均设置有支脚，一个消能板固定设置在另一个消能板上。水泵消能装置10能够避免进水口9处由于流量过大产生水花飞溅。

如图4所示，本发明还包括溢流板11；溢流板11设置在上水箱1中且在稳水机构的左侧，溢流板11的侧壁滑动连接上水箱1、多孔墙12的侧壁形成一个泄洪室，泄洪室的底壁上设置有一泄水孔26，进水口9位于泄洪室外。以上水箱1为参考点，溢流板11的高度自由调节，用于溢流多余水量，以改变上水箱的水位。

如图3所示，本发明还包括水泵3，水泵3设置在下水箱2中，水泵3通过水管6连接进水口9。下水箱2为整个装置的主要蓄水部分，从下水箱2用水泵3进行引水，将水通过进水口9引入上水箱1部分，从而使整个装置形成一个水循环系统。

软管19的材质为可伸缩的塑料，转轴24的材质为不锈钢。

上水箱为模拟漩涡发生装置，可以模拟不同水位、不同来流方向、不同进水口形式、不同流量大小下的漩涡，使得相关领域的技术人员能够更直观地了解漩涡结构。

本发明所述的消涡发电方式适用于分层引水式进水口、有压引水式进水口、井式溢洪道以及其他常产生漩涡的水工建筑物上。

工作过程：

在下水箱2内装入足够的水，通过水泵3引水，通过进水口9进入上水箱1，此时水泵消能装置10控制水流避免产生水花；将溢流板11调节至所需高度，控制上水箱1的水位；水流通过稳水机构后变得平稳。

工作状态一：如图9所示，关闭导墙b15，开启导墙a14到所需角度(可调至90°)。开启底阀门5至所需开度，同时关闭侧阀门4。此时，在腔室内底孔出现一贯通性立轴漩涡；

支架调整位置，将消涡发电机构7上的消涡转轮23置入水漩涡中，消涡转轮部位本身阻断了漩涡的流线，分散其流速分布，降低速度梯度，底孔16处贯通性吸气漩涡现象消失，漩涡高度减短至消涡转轮23上方，同时高速旋转的水流带动消涡转轮23进行旋转，并通过转轴24的传递作用带动发电机25的转子旋转切割定子发出的磁感进行发电，可用于给水泵供电。

工作状态二：关闭导墙b15，开启导墙a14到所需角度(可调至90°)。通过液压装置21和液压杆22将边墙18调整至所需角度。开启侧阀门4至所需开度，同时关闭底阀门5。此时，在腔室内出现一贯通性侧孔横向漩涡；如图9所示,当导墙a14开启至90°时，来水方向与侧孔17出流方向平行。

支架调整位置，将消涡发电机构7上的消涡转轮23置入水漩涡中，消涡转轮部位本身阻断了漩涡的流线，分散其流速分布，降低速度梯度，侧孔处贯通性吸气漩涡现象消失，漩涡高度减短至消涡转轮23上方，同时高速旋转的水流带动消涡转轮23进行旋转，并通过转轴24的传递作用带动发电机25的转子旋转切割定子发出的磁感进行发电，可用于给水泵供电。

工作状态三：如图10所示，关闭导墙a14，开启导墙b15到所需角度(可调至90°)。通过液压装置21和液压杆22将边墙18调整至所需角度。开启侧阀门4至所需开度，同时关闭底阀门5。此时，在腔室内出现一贯通性侧孔横向漩涡；如图9所示,当导墙b15开启至90°时，来水方向与侧孔17出流方向垂直。

支架调整位置，将消涡发电机构7上的消涡转轮23置入水漩涡中，消涡转轮部位本身阻断了漩涡的流线，分散其流速分布，降低速度梯度，侧孔处贯通性吸气漩涡现象消失，漩涡高度减短至消涡转轮23上方，同时高速旋转的水流带动消涡转轮23进行旋转，并通过转轴24的传递作用带动发电机25的转子旋转切割定子发出的磁感进行发电，可用于给水泵供电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，其特征在于，包括上水箱（1）、下水箱（2）、进水口（9）、用于平稳进水口（9）水流的稳水机构、消涡发电机构（7）、导墙、边墙（18）、角度调节装置、能在三维空间内移动的支架；

所述上水箱（1）的顶壁上开设有一敞口，所述稳水机构设置在所述上水箱（1）中，所述稳水机构包括能让水流通过的孔；

所述进水口（9）开设在所述上水箱（1）上，所述进水口（9）位于所述稳水机构的左侧；

所述导墙设置在所述上水箱（1）内，所述导墙配合所述上水箱（1）形成一个四面侧壁与底壁密封的腔室，所述腔室的底壁上开设有一底孔（16），所述腔室位于所述稳水机构的右侧；所述导墙包括若干个等间距分布且可调节角度的叶片；

所述边墙（18）设置在所述腔室内，所述边墙（18）的底端与所述腔室的底壁铰接，所述边墙（18）上开设有一侧孔（17）；

所述边墙（18）的底边、侧边与所述腔室密封设置形成一个耳腔室，所述角度调节装置设置在所述耳腔室中，所述角度调节装置连接所述边墙（18），所述底孔（16）位于耳腔室外；所述底孔（16）、所述侧孔（17）均分别通过软管（19）连接所述下水箱（2），所述软管（19）上分别相对应地设置有底阀门（5）、侧阀门（4）；

所述消涡发电机构（7）设置在所述支架上，所述支架设置在所述腔室的上方，所述消涡发电机构（7）包括消涡转轮（23）和转轴（24），所述转轴（24）的下端连接所述消涡转轮（23）。

2.根据权利要求1所述的一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，其特征在于，所述稳水机构包括多孔墙（12）和稳水格栅（13）；所述多孔墙（12）和所述稳水格栅（13）平行设置，所述多孔墙（12）和所述稳水格栅（13）的侧边、底边均与所述上水箱（1）的内壁密封连接，所述多孔墙（12）上开设有多行等间距排列的圆孔，所述稳水格栅（13）上开设有多个等间距排列的格栅。

3.根据权利要求1所述的一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，其特征在于，所述消涡发电机构（7）包括发电机（25），所述支架包括平移支架平台（27）和升降支架平台（8）；所述发电机（25）固定设置在所述升降支架平台（8）上，所述升降支架平台（8）滑动连接所述平移支架平台（27），所述平移支架平台（27）滑动连接所述腔室的顶壁；所述发电机（25）的输出轴固定连接所述转轴（24）的上端。

4.根据权利要求1所述的一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，其特征在于，所述导墙包括导墙a（14）和导墙b（15）；所述导墙a（14）垂直于导墙b（15），所述导墙a（14）和所述导墙b（15）均包括多个等间距排列的叶片。

5.根据权利要求1所述的一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，其特征在于，所述角度调节装置包括液压杆（22）和液压装置（21）；所述液压杆（22）的一端连接所述液压装置（21），所述液压杆（22）的另一端铰接所述边墙（18）。

6.根据权利要求1所述的一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，其特征在于，还包括水泵（3），所述下水箱（2）设置在所述上水箱（1）的下方，所述水泵（3）设置在所述下水箱（2）中，所述水泵（3）通过水管（6）连接所述进水口（9）。

7.根据权利要求2所述的一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，其特征在于，还包括溢流板（11）；所述溢流板（11）设置在所述上水箱（1）中且在所述稳水机构的左侧，所述溢流板（11）的侧壁滑动连接所述上水箱（1）、所述多孔墙（12）的侧壁形成一个泄洪室，所述泄洪室的底壁上设置有一泄水孔（26），所述进水口（9）位于所述泄洪室外。

8.根据权利要求6所述的一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，其特征在于，还包括水泵消能装置（10）；所述水泵消能装置（10）设置在所述进水口（9）处；所述水泵消能装置（10）包括两个消能板；所述消能板上开设有多个圆孔，所述消能板的四角均设置有支脚，一个所述消能板固定设置在另一个所述消能板上。

9.根据权利要求1所述的一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，其特征在于，所述边墙（18）与所述腔室接触的边缘设置有橡胶。

10.根据权利要求1所述的一种集漩涡消涡和发电于一体的实验模拟装置，其特征在于，所述软管（19）的材质为塑料，所述转轴（24）的材质为不锈钢。