CN108221884A - 双滑道旋流式侧壁消能竖井 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双滑道旋流式侧壁消能竖井，包括内外同心套设的过流井和排气井，过流井连接于进水渠和出水渠之间，排气井外侧壁与过流井内侧壁之间形成一环形旋流区域，该环形旋流区域被自上而下盘旋布置的隔离底板分隔为旋流滑道，在旋流滑道内的隔离底板上设有若干分流板，分流板将旋流滑道分隔成内滑道与外滑道；在内滑道及外滑道的外侧壁布置消能竖向隔板。本发明利用分流板将水流一分为二，提升流道过流能力并在旋流滑道内均布水量，减轻了旋流滑道顶层的“水翅”现象，并提高了竖井的消能率。

Description

双滑道旋流式侧壁消能竖井

技术领域

本发明涉及排水工程技术领域，尤其涉及一种双滑道旋流式侧壁消能竖井。

背景技术

消能竖井作为一种竖向输水工事，将上层水流经竖井内消能结构进行消能后输出，常见于水电站、市政排水系统等水利工程中。目前主要的竖井结构形式有：跌落式、折板式、滑道旋流式、阶梯旋流式等。其中滑道旋流式消能竖井布置灵活，进水与出水可不在同一直线上，对地形适应性较好。但传统的滑道旋流式竖井中，水流沿滑道旋转下泄，受离心力作用，滑道上外侧水面明显高于内侧水面，高速水流条件下，易产生“水翅”现象（即水流撞击壁面引起水面剧烈升高）、滑道内侧无水覆盖、外壁受水流挤压等不良流态，从而影响滑道过流能力及竖井消能效果，进而影响竖井底部出口所衔接输水管道的进流平稳性，乃至影响整个输排水系统的安全稳定运行。

发明内容

发明目的：为了缓解旋流式滑道内外侧水面坡降、减小“水翅”高度、减轻外侧壁面所受压力、同时消能率显著提高的双滑道旋流式侧壁消能竖井，本发明提供一种双滑道旋流式侧壁消能竖井 。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的双滑道旋流式侧壁消能竖井，包括内外同心套设的过流井和排气井；所述过流井上部连接有进水渠，下端连接有出水渠；所述排气井外侧壁与所述过流井内侧壁之间形成一环形旋流区域；所述环形旋流区域内自上而下盘旋布置若干隔离底板形成旋流滑道，沿所述旋流滑道底板中线向上设置若干等距分流板，将所述旋流滑道分隔成顶部及侧面相通的内滑道与外滑道；所述内滑道外侧壁（即分流板内侧）及所述外滑道外侧壁等距布置若干竖向隔板消能。该双滑道旋流式侧壁消能竖井中利用分流板将水流一分为二，提升了流道过流能力，并有效减轻“水翅”现象，分流板间隔式分布缓解了滑道水面分布不均，同时侧壁竖向隔板大幅提高了竖井消能效果。

其中，所述分流板布置于滑道中线上，自进水渠起沿流道盘旋而下并延伸至出水渠内。自滑道首层起，等距地在所述内滑道外侧壁（即分流板内侧）及所述外滑道外侧壁上设置竖向隔板。内滑道外侧壁上的每块隔板后开间隔孔，将分流板等距间隔成若干段。水流自进水渠由分流板分成两股流入旋流滑道盘旋而下，内滑道及外滑道上，外侧水流撞击竖向隔板并流向内侧，水流速度得以降低，大量能量被消除；外滑道内部部分水流越过分流板或通过分流板上竖向隔板后的间隔孔流向内滑道，外滑道外侧壁水面降低，滑道内外侧水流得以重新分配，有效缓解了旋流式滑道水面分布不均、降低了滑道内外侧水面高差。

进一步，所述滑道宽度为b＝(D-d)/2，其中D为过流井外直径，d为排气井直径。

进一步，所述旋流滑道沿过流井盘旋圈数为n＝(H-h1)/h，其中H为竖井深度，h1为进水渠底板至竖井顶板高度，h为每层旋流滑道距离。

进一步，所述外滑道外壁的竖向隔板高度a1应高于所述分流板内侧竖向隔板高度a2，而外滑道外壁的竖向隔板宽度b1应等于分流板内侧竖向隔板宽度b2。

优选地，所述分流板内侧的竖向隔板高度a2与分流板高度h2一致，所述外滑道外壁的竖向隔板高度a1为a2的2倍。

进一步，所述外滑道外壁的竖向隔板与所述分流板内侧竖向隔板沿滑道上所处位置应一致，相邻隔板至竖井中线夹角为α，内外滑道每圈分别布置m块隔板，m＝360°/α。

再者，所述分流板高度应保证进口水流可分成两股的同时，还应避免过高而影响滑道水流的再分配。

优选地，所述分流板高度h2＝b/2。

进一步，竖向隔板后所述间隔孔距离不宜过大从而使内滑道水流流向外滑道、也不宜过小从而阻碍外滑道水流流向内滑道。

优选地，所述间隔孔距离b3为分流板内侧竖向隔板宽度b2的1~2倍。

再者，所述过流井内壁上沿所述内滑道底板边线盘旋向下设有排气带，与所述排气井相连，形成排气通道，所述排气井顶部设有排气口。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：首先该双滑道旋流式侧壁消能竖井中利用分流板导流将水流分成两股，单滑道的流量大幅减少，有效减轻了旋流滑道顶层的“水翅”现象；同时内滑道及外滑道的外侧壁周期性设置竖向隔板，两股水流分别沿滑道盘旋而下，局部水流撞击竖向隔板，流速降低，水流动能减小，使得竖井消能率得以提高；同时内外侧滑道上，竖向隔板将水流向内导流，外侧壁的水面得以降低，有效缓解了因离心力引起的滑道内外侧水面坡降；同时在分流板上每块竖向隔板后开设一间隔孔，外滑道水流经竖向隔板向内导流后，部分水流由分流板上间隔孔或越过分流板进入内滑道，使得内外滑道水流得以重新分配，缓解了旋流式滑道水面分布不均，有助于竖井底部水流向出水渠的平稳输出；同时分流板上间隔孔增强了局部气体扰动，有效抑制局部区域的空化空蚀；同时内外滑道在顶部及侧面相通，结合过流井内壁上通气带，有效增强了竖井的排气性能。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在其基础上未经创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为图1的前视图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1中局部滑道的结构示意图；

图5为本发明实例中局部滑道水流流态数值模拟结果；

图6为传统滑道旋流式竖井局部滑道水流流态数值模拟结果。

具体实施方式

实施例：

本实施例的双滑道旋流式侧壁消能竖井如图1所示，包括内外同心套设的过流井1和排气井2；在过流井1上部连接有进水渠3，下端连接有出水渠4；排气井2外侧壁与过流井1内侧壁之间形成一环形旋流区域；在环形旋流区域内自上而下盘旋布置若干隔离底板形成旋流滑道5，沿旋流滑道5底板中线向上设置若干等距分流板6，将旋流滑道5分隔成顶部及侧面相通的内滑道与外滑道；在内滑道外侧壁等间距布置若干第一竖向隔板8、在外滑道外侧壁等间距布置若干第二竖向隔板9，第一竖向隔板8与第二竖向隔板9起到消能作用。该双滑道旋流式侧壁消能竖井中利用分流板6将水流一分为二，提升了流道过流能力，并有效减轻“水翅”现象，分流板间隔式分布缓解了滑道水面分布不均，同时侧壁竖向隔板大幅提高了竖井消能效果。

如图2所示，分流板6布置于滑道中线上，自进水渠3起沿流道盘旋而下并延伸至出水渠4内。分流板6高度为h2，应保证进口水流可分成两股的同时，还避免影响滑道水流的再分配。自滑道首层起，等距地在内滑道外壁（即分流板内侧）及外滑道外壁上设置竖向隔板。内滑道外壁上的第一竖向隔板8后开间隔孔10，将分流板等距间隔成若干段。水流自进水渠3由分流板6分成两股流入旋流滑道盘旋而下，内滑道及外滑道上，外侧水流撞击第二竖向隔板9并流向内侧，水流速度得以降低，大量能量被消除；外滑道内部部分水流越过分流板6或通过分流板上第一竖向隔板8后的间隔孔10流向内滑道，外滑道外侧壁水面降低，滑道内外侧水流得以重新分配，有效缓解了旋流式滑道水面分布不均、降低了滑道内外侧水面高差。

如图3所示，旋流滑道5总宽为b＝(D-d)/2，其中D为过流井外直径，d为排气井直径。滑道在过流井1内盘旋圈数为n＝(H-h1)/h，其中H为竖井深度，h1为进水渠底板至竖井顶板高度，h为每圈旋流滑道距离。

如图4所示，外滑道5外壁的第二竖向隔板9与分流板6内侧第一竖向隔板8沿滑道上所处位置应一致，相邻隔板至竖井中线夹角为α，内外滑道每圈分别布置m块隔板，m＝360°/α。外滑道外壁的第二竖向隔板9高为a1、宽为b1，分流板6内侧第一竖向隔板8高为a2、宽为b2，其中a1=2∙a2， b1=b2。竖向隔板后间隔孔10的距离b3，不宜过大从而使内滑道水流流向外滑道、也不宜过小从而阻碍外滑道水流流向内滑道，可设为分流板6内侧第一竖向隔板8宽度b2的1~2倍。

过流井2内壁上沿内滑道底板边线盘旋向下设有排气带7，宽度为h3，与排气井2相连，形成排气通道，排气井2顶部设有排气口。

本发明的是根据某城市深层雨水调蓄系统工程设计。实施例中适用的深层雨水调蓄系统，其中竖井深度H为40m，竖井入流流量Q按最大入流流量45m³/s设计，竖井直径D为10m。若采用传统滑道旋流式竖井，水流沿滑道贴外侧壁旋转下泄，滑道内侧部分区域无水面覆盖，滑道内外侧水面高差大，竖井底部出水不平稳，且消能率通常低于75%，消能效果较差。

使用时，该双滑道旋流式侧壁消能竖井包括过流井1、排气井2、进水渠3、出水渠4、旋流滑道5、分流板6、通气带7、内滑道外侧壁第一竖向隔板8、外滑道外侧壁第二竖向隔板9和分流板上间隔孔10。其中，旋流滑道5在过流井1内盘旋6圈。分流板6布置于旋流滑道5中线上，自进水渠3起沿流道盘旋而下并延伸至出水渠4内，将旋流滑道5分隔成顶部及侧面相通的内滑道与外滑道。分流板6高度应保证进口水流可分成两股的同时，还避免影响滑道水流的再分配。自滑道首层起，内滑道外侧壁等间距布置若干第一竖向隔板8、且高度a2与分流板高度h2一致，外滑道外侧壁等间距布置若干第二竖向隔板9、且高度a1为第一竖向隔板8高度a2的2倍、宽度相等。第一竖向隔板8与第二竖向隔板9沿滑道上所处位置应一致，相邻隔板至竖井中线夹角α为90°，内外滑道每圈分别布置4块隔板。内滑道外壁上的第一竖向隔板8后开设间隔孔10，将分流板等距间隔成若干段。间隔孔10的距离b3为分流板6内侧第一竖向隔板8宽度b2的1~2倍。过流井2内壁上沿内滑道底板边线盘旋向下设有排气带7，宽度为h3。

对上述结构做仿真验证，相关结构参数取值如下：

过流井1直径D为10m，排气井2直径d为4m，旋流滑道5宽度b为3m；竖井总高40m，每圈滑道高度h为6m，进水渠3高度h1为4m，分流板高度h2为1.5m，排气带7高度h3为2m；外滑道外侧壁第二竖向隔板9宽a1为0.4m、高度b1为3m，内滑道外侧壁第一竖向隔板8宽a2为0.4m、高度b2为1.5m，相邻隔板至竖井中线夹角α为90°；分流板上间隔孔10的距离b3为0.6m。

数值模拟结果如图5和图6所示，本实施例的双滑道旋流式侧壁消能竖井与传统滑道旋流式竖井相比，旋流滑道上外侧壁水面高度大幅降低，内外侧水面坡降得到明显改善，滑道上水流流态不均衡情况得以缓解。首圈水滑道“水翅”高度亦有所降低，竖井底部出流平稳。在进口流量约为40m³/s的条件下，双滑道旋流式侧壁消能竖井消能率可达90%左右，较传统滑道旋流式竖井消能率提高了23%左右，消能效果显著。滑道内几乎无负压区，仅在外滑道外侧壁竖向隔板后存在小范围低压区，有利于提升竖井的抗空化空蚀能力。滑道侧壁所受压力较小，每级竖向隔板所受压力控制在0.2~0.5m水头，对竖井的结构稳定性有良好效果。

经验证，双滑道旋流式侧壁消能竖井的水流下泄流畅、排气畅通，较好的满足了该深层雨水调蓄系统工程的排水及排气设计要求。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双滑道旋流式侧壁消能竖井，包括内外同心套设的过流井和排气井，所述过流井连接于进水渠和出水渠之间，其特征在于：所述排气井外侧壁与过流井内侧壁之间形成一环形旋流区域；所述环形旋流区域被自上而下盘旋布置的隔离底板分隔为旋流滑道，在旋流滑道内的隔离底板上设有若干分流板，所述分流板将旋流滑道分隔成内滑道与外滑道；在内滑道外侧壁布置若干第一竖向隔板、在外滑道外侧壁布置若干第二竖向隔板；利用分流板将水流一分为二，提升流道过流能力并在旋流滑道内均布水量，第二竖向隔板与第一竖向隔板用于消能。

2.根据权利要求1所述的双滑道旋流式侧壁消能竖井，其特征在于：所述分流板布置于旋流滑道的中线上，自进水渠起沿流道盘旋而下并延伸至出水渠内；自滑道首层起，第一竖向隔板等距地布置在分流板内侧，第二竖向隔板等距地布置在外滑道外侧壁并指向分流板，内滑道外侧壁上的每块隔板后开间隔孔，将分流板等距间隔成若干段；水流自进水渠由分流板分成两股流入旋流滑道盘旋而下，内滑道及外滑道上，外侧水流撞击竖向隔板并流向内侧，水流速度得以降低，大量能量被消除；外滑道内部部分水流越过分流板或通过分流板上竖向隔板后的间隔孔流向内滑道，外滑道外侧壁水面降低，滑道内外侧水流得以重新分配，用于缓解旋流式滑道水面分布不均，并降低滑道内外侧水面高差。

3.根据权利要求1所述的双滑道旋流式侧壁消能竖井，其特征在于：所述滑道宽度为b＝(D-d)/2，其中D为过流井外直径，d为排气井直径。

4.根据权利要求1所述的双滑道旋流式侧壁消能竖井，其特征在于：所述旋流滑道沿过流井盘旋圈数n＝(H-h1)/h，其中H为竖井深度，h1为进水渠底板至竖井顶板高度，h为每层旋流滑道距离。

5.根据权利要求1所述的双滑道旋流式侧壁消能竖井，其特征在于：第二竖向隔板高度a1高于第一隔板高度a2，第二竖向隔板宽度b1等于第一竖向隔板宽度b2。

6.根据权利要求1所述的双滑道旋流式侧壁消能竖井，其特征在于：第一竖向隔板高度a2与分流板高度h2一致，第二竖向隔板高度a1为a2的2倍。

7.根据权利要求1所述的双滑道旋流式侧壁消能竖井，其特征在于：第二竖向隔板与第一竖向隔板沿滑道上所处位置一致，相邻隔板至竖井中线夹角为α，内外滑道每圈分别布置m块隔板，m＝360°/α。

8.根据权利要求1所述的双滑道旋流式侧壁消能竖井，其特征在于：所述分流板的高度下限保证进口水流分成两股，分流板的高度上限保证滑道水流的再分配。

9.根据权利要求3所述的双滑道旋流式侧壁消能竖井，其特征在于：所述分流板高度h2＝b/2。

10.根据权利要求1所述的双滑道旋流式侧壁消能竖井，其特征在于：竖向隔板后间隔孔距离b3为第一竖向隔板宽度b2的1~2倍。