CN108590921A - 深层排水隧道入流竖井多级能量回收装置 - Google Patents

深层排水隧道入流竖井多级能量回收装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种深层排水隧道入流竖井多级能量回收装置，利用深层隧洞排水系统中将水流进入竖井所具有的势能和动能分级储存起来。是在每一级中设置一处集水板以及与其配套的水平放置的能量转换装置。通过集水板的作用将竖井中的水流引至竖井一侧从而使水流冲击装置叶片从而带动转轮转动，再利用两个伞齿轮将能量转换装置主轴水平方向的转动转化为竖直方向的传力主轴的转动，通过传力主轴带动齿轮泵的运作从而将水流势能转化为机械液压能。在过去的方案中，通过竖井的水流仅仅通过其他消能设施以防止水流对竖井及隧洞的破坏，但水流的能量也因此浪费，本发明基于能量守恒的工作原理及水流梯级开发利用原理，在消能的同时将通过竖井的水流能量储存，用于提供整个系统运行所需能量。

Description

深层排水隧道入流竖井多级能量回收装置
技术领域
本发明涉及城市深层隧道排水技术领域，是竖井入流水流的消能及储能装置，用于将进入竖井的水流的能量分级回收转换为机械液压能以达到消能并储能的装置。
背景技术
随着我国城市化进程的加快，传统城市建设模式带来的内涝频发、径流污染加剧、水资源流失、水生态环境恶化等突出雨水问题，已成为制约社会发展的限制性因素之一。在环境承载能力日益饱和的今天，建设 “海绵城市”成为当今我国社会发展的必然需求。针对城市中心城区水面率低、建筑密度高、地下管线错综复杂、人口密集和防汛安全压力大等特点，采用大型深层调蓄隧道，作为托底工程，辅以源头径流控制，成为解决城市内涝以及初雨污染的有效手段。
为了避开对地下管线以及地铁等设施的影响，城市深层隧道调蓄排水隧道一般建设在地下40m-60m处，当发生暴雨时，地面汇集的大量雨水通过入流竖井流入地下隧道，存储部分雨水。因而入流竖井高度较高，如果水流直接从竖井顶部直接跌入到竖井底部，水流的势能转换为动能，必然会对竖井底部产生非常大的冲击，破坏竖井结构，引起竖井内产生振动、噪声以及挟带大量气体进入隧道等问题，影响工程的安全运行。为了解决水流的消能问题，目前工程中常常在竖井中建造消能结构，比如传统的折板式结构、滑道式结构、阶梯式结构等等，当水流流过这些结构时，能量发生耗散，从而达到消能的目的。但该类消能措施一方面容易在竖井内出现旋涡、空化和空蚀、掺气水流等多种复杂的水力流动现象，同时在竖井中建造的结构受到水流的冲刷，带来过大的结构振动问题，威胁结构安全。另外，入流竖井较高，水流的落差较大，具备较多的势能，如何利用这部分能量，在目前城市深隧入流竖井的设计中，还未出现类似的观念以及结构。本发明提出并设计了一种新型的深隧系统入流竖井结构，在保证水流安全流入的前提下，将原本靠竖井消能结构耗散掉的能量，通过新型的装置转换为机械能，进而转换为液压能储存起来，用于深隧系统中机械装置，如闸门、检修电梯等设备的供能。
发明内容
发明目的：目前的深层隧道调蓄排水系统中，入流竖井的水流大多采用单纯的消能措施以避免水流对竖井的破坏，但该部分水流能量因此也被浪费，为克服目前的竖井消能中存在的缺点，本发明旨在将具有较大高度的竖井水流的能量储存为机械液压能，可用于为调蓄排水系统中各部分闸门等部件的运行提供能量，同时可以达到消能的效果。
技术方案：本发明是在竖井内由依次安装多组集水系统、能量转换装置和传动系统，所述集水系统包括一块由抛物线沿竖井直径拉伸形成的第一曲面、与第一曲面在连接处相切用于将水流引至转轮叶片远离转轴一侧的平面集水板，由抛物线沿竖井半个圆扫掠形成的第二曲面，及与第二曲面相接用于引导水流的圆柱面；所述能量转换装置具有半圆形叶片；相邻的两组能量转换装置叶片正交布置；所述传动系统联接能量转换装置与储能装置。
通过将进入竖井的水流利用四块集水板集中至竖井一侧，利用水流的重力及所具有的动能带动集水板下方的能量转换装置转轮的转动，从而由转轮主轴通过两个伞齿轮改变转动方向，从而带动传力主轴的转动。由于竖井一般具有较大的高度，故本发明按照梯级开发的方式分级回收竖井水流能量，根据竖井高度确定集水板及转轮的数量，不同高程处的转轮通过与不同传力主轴相接将水流能量传递至竖井井口处的齿轮泵。此外，传力主轴可具有较高的高度（伸出至竖井井口），传力主轴在井口处的头部与齿轮泵相接从而达到将水流能量储存为液压能的目的。
具体地，集水板远离主流一侧为抛物线沿直线拉伸后处于竖井内部的曲面部分，靠近主流一侧的集水板为抛物线沿竖井截面半个圆周扫略得到的曲面，以减少水流从竖井井口流下时对集水板的冲击作用。其中靠近主流一侧集水板主要起到防止水流沿竖井边壁流下，防止产生较大的渗漏损失，也防止水流不经过转轮消能以较大流速沿竖井内壁直接流下而对深隧产生较为严重的破坏作用。
具体地，集水板喷嘴处的部分由一块与远离主流一侧集水板在相接处相切的平面，以及一块半圆柱侧面的曲面围成。其特征在于：在保证竖井一定过流能力的前提下尽可能的将水流引向远离转轮主轴的一侧，从而对转轮主轴产生尽可能大的力矩。
具体地，集水板喷嘴具有一定的高度，保证通过喷嘴的水流可以具有较好的流态，当水流经过集水板喷嘴后水流可较为平顺的落到转轮叶片上。
具体地，转轮叶片的构型为平板型，根据转轮的能量守恒方程：
其中：γ为水的容重，Qe为通过转轮的流量，V与r分别表示与叶片垂直的速度与对应力臂，下标1、2分别表示转轮的进出位置，ω表示转轮转动的角速度。
具体地，对于入流竖井多级能量回收装置，不同高程处的转轮连接的传力主轴不同，以防止各转轮额定转速不同在传力主轴上引起较大应力。本发明附图中均已两级开发作为说明，当竖井高度较大时，可增加转轮数量，同时相应的传力主轴个数也应随之增加。
具体地，当转轮数量较多时，各转轮对应的集水板喷嘴在相邻两级应避免处于竖井不同侧，即处于上一级的集水板喷嘴与下一级集水板喷嘴在水平面上相差的角度应尽可能小，防止水流因流动方向改变较大对下级集水板产生较大的冲击。具体地，若竖井水流能量分五级回收，则五级能量回收装置的传力主轴间的角度应为36度，而相邻两级集水板喷嘴在水平面上相差的角度应为72度。
具体地，转轮叶片形状为半圆形，叶片边缘与竖井内壁保持一定安全距离，防止叶片因热胀冷缩或冲击变形等原因与竖井内壁发生摩擦碰撞而引发事故。
具体地，两个传力的伞齿轮分锥角为90º，将转轮主轴在水平方向上的转动转换为传力主轴在竖直方向上的转动，通过传力主轴传力作用将转动力传递至竖井井口附近的齿轮泵，带动齿轮泵工作从而实现水流能量的回收。
附图说明：
图1为本发明在竖井上部用于集中水流的集水板结构俯视图；
图2为本发明在竖井上部用于集中水流的集水板结构左视图；
图3为本发明整体结构左视图；
图4为本发明伞齿轮部位结构放大图；
图5为本发明在竖井内部整体结构示意图
图中：远离主流一侧集水板1，靠近主流一侧集水板2，与1号集水板在连接处相切将水流引至靠近边壁的集水板3，垂直于水平面与2号集水板相接引导水流的集水板4，冲击式水转轮叶片5，与转轮主轴相接的伞齿轮6，与传力主轴相接的伞齿轮7，转轮主轴8，传力主轴9，齿轮泵10，竖井内壁11。
具体实施方式：
实施例:
本实施例的深层排水隧道入流竖井多级能量回收装置如图1-4所示。水流从井口位置流入竖井后，在集水板1和集水板2的作用下将水流引至竖井一侧，再在集水板3和集水板4的约束作用下将水流引至转轮叶片中距转轮主轴最远的位置，从而冲击装置转轮叶片5推动转轮转动，在伞齿轮6和伞齿轮7的作用下带动传力主轴9的转动，传力主轴9直接与齿轮泵10内的其中一个齿轮相接，通过齿轮泵的运作从而将能量储存为液压能。
由附图5所示，水流通过集水板3时在集水板3的作用下水流具有与距水流出口最近转轮叶片的垂直方向速度，此时部分水流与上述叶片发生撞击，剩余水流在重力作用下流速方向逐渐变为接近竖直向下，此时该部分水流与下一块叶片（指按顺时针顺序上述叶片的下一块叶片）发生撞击，此时水流速度方向同样接近与此块叶片垂直，即采用平板叶片时，在水流重力的矫正作用下可以使得 V u1 保持较大值，而当水流与转轮叶片发生撞击后，水流流出方向基本平行于叶片方向，故使用平板叶片可使得V u2 保持较小值。根据能量守恒，其他参数都是固定值，故采用平板叶片时可使得能量转换的效率最高。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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 (5)

1.一种深层排水隧道入流竖井多级能量回收装置，其特征在于：在竖井内由依次安装多组集水系统、能量转换装置和传动系统，
所述集水系统包括一块由抛物线沿竖井直径拉伸形成的第一曲面、与第一曲面在连接处相切用于将水流引至转轮叶片远离转轴一侧的平面集水板，由抛物线沿竖井半个圆扫掠形成的第二曲面，及与第二曲面相接用于引导水流的圆柱面；
所述能量转换装置具有半圆形叶片；相邻的两组能量转换装置叶片正交布置；所述传动系统联接能量转换装置与储能装置。
2.根据权利要求1所述的一种深层排水隧道入流竖井多级能量回收装置，其特征在于：所述储能装置是齿轮泵。
3.根据权利要求2所述的一种深层排水隧道入流竖井多级能量回收装置，其特征在于：所述半圆形叶片在转轴上间隔45°均匀排列。
4.根据权利要求3所述的一种深层排水隧道入流竖井多级能量回收装置，其特征在于：所述传动系统对称地布置在转轴的两端。
5.根据权利要求4所述的一种深层排水隧道入流竖井多级能量回收装置，其特征在于：所述集水系统用于引导水流尽可能平滑地到达转轮叶片远离转轴一侧，从而对转轴产生较大的力矩作用，利用水流的重力及所具有的动能带动集水板下方的能量转换装置转轮的转动，通过传动系统带动齿轮泵将水流的能量转换为机械液压能，在消能的同时对竖井水流能量进行回收。
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