CN110230295B - 一种用于旋流竖井的掺气式涡室导流坎 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于旋流竖井的掺气式涡室导流坎，将常规旋流竖井涡室内导流坎在一定位置进行截断形成掺气坎，使得上平段水流与涡室水流衔接位置自然形成一个空腔，从而保证竖井沿程壁面的掺气需求。同时，由于掺气坎所通空气已经能够满足竖井需气，将导流坎中部位置的通气孔取消，增强导流坎的结构稳定性。

Description

一种用于旋流竖井的掺气式涡室导流坎

技术领域

本发明属于水利水电工程中泄洪消能领域，具体涉及一种新型的用于旋流竖

背景技术

旋流竖井泄洪洞由于其修建难度较低、布置灵活以及消能效果突出等优势，越来越受到水利水电工程界的关注。尤其是随着当前我国正处于水电建设事业的井喷式发展阶段，许多高水头、大流量、深峡谷的高坝大库正在建设或者处于规划阶段，在常规泄水建筑物无法良好地实现泄洪消能的情况下，旋流竖井作为一种新兴发展的泄洪消能建筑物不失为一种良好的选择。

随着许多大型水电工程的建设，泄洪水头也越来越高，过流壁面的空蚀空化问题也越来越突出。由于旋流竖井为内消能工，在竖井部分布置掺气设施非常困难，常规的竖井掺气方式是利用涡室内的导流坎，在其顶部开设通气管直达坎底，从而将涡室导流坎下部的空腔与外界大气进行连通，保证竖井壁面的通气需求，常规竖井涡室导流坎结构布置及其流态分别如图1与图2所示。但是由于涡室导流坎本身是一个悬臂结构，在其中部开孔将更加不利于结构的稳定。

此外，常规的涡室导流坎末端位置为一个尖锐的凸角，这极大地增加了工程的设计和施工难度。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种新型的用于旋流竖井的掺气式涡室导流坎，在保障导流坎的的导流能力和结构稳定性前提下，实现旋流竖井涡室掺气，同时降低涡室导流坎的施工难度。

本发明将常规旋流竖井涡室内导流坎在一定位置进行截断形成掺气坎，使得上平段水流与涡室水流衔接位置自然形成一个空腔，从而保证竖井沿程壁面的掺气需求。同时，由于掺气坎所通空气已经能够满足竖井需气，将导流坎中部位置的通气孔取消，降低导流坎的不稳定性。

本发明提供的用于旋流竖井的掺气式涡室导流坎，所述导流坎的顺水流方向末端为粗钝的截断式。

进一步地，所述导流坎设置在涡室壁面上，由顺水流旋转方向的导流弧面、垂直于涡室壁面的竖立结构面和掺气面围成，所述掺气面在竖立结构面与导流弧面相交前与二者同时相交，将导流弧面与竖立结构面相交后形成的尖锐凸角截断，形成粗钝的导流坎末端。

进一步地，优选设计为掺气面与竖立结构面垂直相交。

进一步地，所述导流坎为悬臂实体结构。

进一步地，所述导流坎设置在导流坎上平段出口处，竖立结构面与上平段出口平齐。

本发明的上述方案中，所述掺气面的截断位置以及弧面的曲率共同决定掺气空腔的大小和掺气效果。截断位置需要综合权衡考虑绕涡室旋转一周后的水流与上平段水流的衔接情况以及空腔形态这一对矛盾体，优选地，可取截断位置(截断断面至涡室壁面的法向距离)为(0.3～0.7)(R₁-R₂)(其中R₁为涡室半径，R₂为竖井直段半径)。

本发明提供一种旋流竖井泄洪洞，其设置有上述旋流竖井的掺气式涡室导流坎，运行时，掺气式涡室导流坎典型流态如图4所示，取消导流坎的通气孔以后，外界大气通过掺气式导流坎源源不断地进入涡室内部，从而保证了竖井壁面的掺气需求，有效减弱了竖井壁面的空蚀破坏风险。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述掺气式涡室导流坎通过截断涡室导流坎的形式自然形成掺气坎，能有效提高竖井壁面的抗空蚀能力，同时削弱悬臂结构带来的不稳定性，提高涡室导流坎的结构稳定性，并且一定程度上节省了工程量，降低了涡室导流坎的设计与施工难度。

附图说明

图1常规旋流竖井涡室导流坎结构布置图(上为主视图，下为俯视图)；

图2常规旋流竖井导流坎流态图(上为主视图，下为俯视图)；

图3用于旋流竖井的掺气式涡室导流坎示意图(上为主视图，下为俯视图)；

图4用于旋流竖井的掺气式涡室导流坎典型流态示意图(上为主视图，下为俯视图)。

图中，1—上平段；2—导流坎；3—通气孔；4—涡室；5—收缩段；6—通气空腔；7—中心空腔；8—水体；9—掺气式导流坎；9-1-导流弧面；9-2-掺气面；9-3-竖立结构面，。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

本实施例将常规旋流竖井涡室内导流坎在一定位置进行截断形成掺气坎，使得上平段水流与涡室水流衔接位置自然形成一个空腔，从而保证竖井沿程壁面的掺气需求。同时，由于掺气坎所通空气已经能够满足竖井需气，将导流坎中部位置的通气孔取消，降低导流坎的不稳定性。

本实施例提供用于旋流竖井的掺气式涡室导流坎，结构如图3所示，所述设置在导流坎上平段出口处涡室壁面上，导流坎的顺水流方向末端为粗钝的截断式。导流坎由顺涡室内水流旋转方向的导流弧面9-1、垂直于涡室壁面的竖立结构面9-3和掺气面9-2围成，所述掺气面在竖立结构面与导流弧面相交前与二者同时相交，将导流弧面与竖立结构面相交后形成的尖锐凸角截断，形成粗钝的导流坎末端。竖立结构面与上平段出口平齐，为悬臂实体结构。其中，掺气面与竖立结构面垂直相交。所述掺气面的截断位置以及弧面的曲率共同决定掺气空腔的大小和掺气效果。截断位置需要综合权衡考虑绕涡室旋转一周后的水流与上平段水流的衔接情况以及空腔形态这一对矛盾体，优选地，可取截断位置(截断断面至涡室壁面的法向距离)为0.5(R₁-R₂)(其中R₁为涡室半径，R₂为竖井直段半径)。

所述掺气式涡室导流坎通过截断涡室导流坎的形式自然形成掺气坎，有效提高了竖井壁面的抗空蚀性能，同时削弱了涡室导流坎的悬臂结构的不稳定性，提高了涡室导流坎的结构稳定性，一定程度上节省了工程量，降低了涡室导流坎的设计与施工难度。

实施例2

本实施例提供一种设置了实施例1所述结构的掺气式涡室导流坎的旋流竖井泄洪洞，除掺气式导流坎9，其余结构与现有常规旋流竖井泄洪洞结构相同，包括上平段1，导流坎2，涡室4，收缩段5。

该旋流竖运行时，掺气式涡室导流坎典型流态如图4所示，外界大气通过掺气式导流坎源源不断地进入涡室内部，从而保证了竖井壁面的掺气需求，有效减弱了竖井壁面的空蚀破坏风险。

Claims (4)

1.一种用于旋流竖井的掺气式涡室导流坎，其特征在于，所述导流坎的顺水流方向末端为粗钝的末端；所述导流坎设置在涡室壁面上，由顺涡室内水流旋转方向的导流弧面、垂直于涡室壁面的竖立结构面和掺气面围成，所述掺气面在竖立结构面与导流弧面相交前与二者同时相交，将导流弧面与竖立结构面相交后形成的尖锐凸角截断，形成粗钝的导流坎末端；导流坎的末端断面至涡室壁面的法向距离为（0.3~0.7）（R₁-R₂），其中R₁为涡室半径，R₂为竖井直段半径。

2.根据权利要求1所述导流坎，其特征在于，所述导流坎为悬臂实体结构。

3.根据权利要求1所述导流坎，其特征在于，所述导流坎设置在导流坎上平段出口处，竖立结构面与上平段出口平齐。

4.一种旋流竖井泄洪洞，其特征在于，设置有权利要求1-3中任一权利要求所述旋流竖井的掺气式涡室导流坎。

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