CN113174911A - 一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构，包括水平旋流井，其用来水平对水流进行泄洪操作。该提高水平旋流消能率的旋流洞结构，旋流洞上游接起旋室，下游接渐变段及泄洪洞，旋流洞由变直径段和等直径段组成，水流以一定的压力由起旋室切线进入变直径段旋流洞，连续流入的流体沿旋流洞呈螺旋形向泄洪洞运动，水流进入变直径段旋流洞后，由于旋流洞的内径逐渐缩小，使流体的旋转速度加快，动能增大、动能消能率也增大，且水流旋转离心力的作用，洞壁压强高，不易发生空蚀破坏；另外消能主要发生在旋流洞内形成的空气柱附近的内螺旋流区域，而在旋流洞壁的变化趋势较为平缓，故在等直径段的旋流洞侧壁均匀布置圆形凸槽增加动能消能。

Description

一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构

技术领域

本发明涉及水利水电工程的泄洪消能技术领域，具体为一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构。

背景技术

峡谷地区水电工程的导流设施一般采用导流洞配合断流围堰，在洪水较为丰沛的河流，导流洞的规模一般比较大，具体表现为导流洞断面大、条数多，每条导流洞相应的工程投资达1～2亿元。因此，在导流功能完成后，将导流洞这一临时建筑物改建为永久泄水建筑物使用，具有较大的经济价值，也有利于优化枢纽布置。在改建为泄洪洞的实践中，采用旋流泄洪技术是比较经济有效的方法之一，其具体消能率高、布置简单等优点。

旋流消能工作原理是利用水流旋转运动将水能大部分消耗在流道内部，旋流泄洪分为竖井旋流和水平旋流两种，其中水平旋流由于其机理新颖、结构简单、消能率高、出口无雾化的特点，备受水工界关注。其中水垫塘是水平旋流消能泄洪洞主要消能段之一，也是水平旋流段与原导流洞的连接段，该部位体型与水流流态变化较复杂，可以发明一种新的旋流洞结构替代水垫塘，一方面可以提高消能率，一方面可以减少工程投资。

针对上述问题，急需在原有水平旋流洞结构的基础上进行创新设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构，以解决上述背景技术中提出的水平旋流效能率较低和工程投资较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构，包括：

水平旋流井，其用来水平对水流进行泄洪操作，且水平旋流井的底部固定设置有起旋室，并且起旋室的左侧固定连接有通气竖井，而且通气竖井的另一端与外界空气相连接；

变直径旋流洞，其固定连接在所述起旋室的右侧，且变直径旋流洞的端部固定连接有等直径旋流洞，并且等直径旋流洞的端部固定安装有渐变段，而且渐变段的端部固定连接有泄洪洞，并且泄洪洞的底部内壁上开设有卡槽；

洞壁凸台，其设置在等直径旋流洞的内壁上，且洞壁凸台的断面为半圆形，紧贴于等直径旋流洞内侧洞壁上；

金属阻流门，其垂直贯穿连接在所述泄洪洞的内部，且金属阻流门上下滑动连接在泄洪洞的内部边侧上。

优选的，所述起旋室的内部设置有第一折流坎，且第一折流坎设置在起旋室的水流出口一侧。

优选的，所述变直径旋流洞的内部甚至有第二折流坎，且第二折流坎的数量为十二个，并且十二个第二折流坎每两个为一组，而且六组第二折流坎等距离的设置在变直径旋流洞的内壁上。

优选的，所述变直径旋流洞的断面为圆形，进口直径D1由下泄流量Q确定，D1=Q（0.3～0.5）/1.58,出口直径D2=（0.5～0.8）D1，变直径旋流洞长L1=（2～5）D1，且等直径旋流洞的断面为圆形，进口与出口直径均为D2，等直径旋流洞长L2=（1～2）L1，（L1+L2）≥5D1，并且渐变段布置在泄洪洞的上游，是等直径旋流洞与泄洪洞的连接段，其长度L3取决于泄洪洞和等直径旋流洞的体型，满足不同断面之间的平稳过渡要求。

优选的，所述洞壁凸台沿等直径旋流洞洞轴向右侧均匀等间距布置，第一个洞壁凸台与等直径旋流洞进口的距离L4=（1～2）D2，各洞壁凸台之间的间距L5=（0.5～2）D2，共计n个凸台，n=[（L2-2×L3）/L4+1]取整。

优选的，所述金属阻流门还包括：

金属卡栓，其固定连接在所述金属阻流门的底部；

金属绳索，其对称固定连接在所述金属阻流门顶部的前后两端；

自动收绳机，其活动连接在所述金属绳索的端部；

固定支架，其固定连接在所述自动收绳机的底部，且固定支架垂直固定安装在地面的顶部。

优选的，所述金属卡栓的数量为十二个，且十二个金属卡栓每六个为一组，并且两组金属卡栓以金属阻流门的中垂线为对称轴对称设置，而且金属卡栓通过卡槽与泄洪洞构成卡合结构，并且金属卡栓的外部尺寸与卡槽的内部尺寸完全吻合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该提高水平旋流消能率的旋流洞结构；

1.设置有变直径旋流洞和等直径旋流洞组成的消能结构，旋流洞上游接起旋室，下游接渐变段及泄洪洞，旋流洞由变直径段和等直径段组成，水流以一定的压力由起旋室切线进入变直径段旋流洞，连续流入的流体沿旋流洞呈螺旋形向泄洪洞运动，水流进入变直径段旋流洞后，由于旋流洞的内径逐渐缩小，使流体的旋转速度加快，动能增大、动能消能率也增大，且水流旋转离心力的作用，洞壁压强高，不易发生空蚀破坏；另外，消能主要发生在旋流洞内形成的空气柱附近的内螺旋流区域，而在旋流洞壁的变化趋势较为平缓，故在等直径段的旋流洞侧壁均匀布置圆形凸槽增加动能消能，进而使得该结构的卸能效果更好；

2.设置有泄洪洞和渐变段组成的排水结构，通过在原有的水垫塘结构上改建成旋流洞，使得工程投资急剧减少，并且该结构的消能率更高，布置更加简单。

附图说明

图1为本发明正剖视结构示意图；

图2为本发明俯剖视结构示意图；

图3为本发明起旋室侧剖视结构示意图；

图4为本发明图1中A-A处侧剖视结构示意图。

图中：1、水平旋流井；2、起旋室；3、通气竖井；4、第一折流坎；5、变直径旋流洞；6、第二折流坎；7、等直径旋流洞；8、洞壁凸台；9、渐变段；10、泄洪洞；11、卡槽；12、金属卡栓；13、金属阻流门；14、金属绳索；15、自动收绳机；16、固定支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构，包括：水平旋流井1、起旋室2、通气竖井3、第一折流坎4、变直径旋流洞5、第二折流坎6、等直径旋流洞7、洞壁凸台8、渐变段9、泄洪洞10、卡槽11、金属卡栓12、金属阻流门13、金属绳索14、自动收绳机15和固定支架16；

水平旋流井1，其用来水平对水流进行泄洪操作，且水平旋流井1的底部固定设置有起旋室2，并且起旋室2的左侧固定连接有通气竖井3，而且通气竖井3的另一端与外界空气相连接；

变直径旋流洞5，其固定连接在起旋室2的右侧，且变直径旋流洞5的端部固定连接有等直径旋流洞7，并且等直径旋流洞7的端部固定安装有渐变段9，而且渐变段9的端部固定连接有泄洪洞10，并且泄洪洞10的底部内壁上开设有卡槽11；

洞壁凸台8，其设置在等直径旋流洞7的内壁上，且洞壁凸台8的断面为半圆形，紧贴于等直径旋流洞7内侧洞壁上；

金属阻流门13，其垂直贯穿连接在泄洪洞10的内部，且金属阻流门13上下滑动连接在泄洪洞10的内部边侧上。

起旋室2的内部设置有第一折流坎4，且第一折流坎4设置在起旋室2的水流出口一侧，通过设置的第一折流坎4，使得起旋室2内水流的起旋效果更好；

变直径旋流洞5的内部甚至有第二折流坎6，且第二折流坎6的数量为十二个，并且十二个第二折流坎6每两个为一组，而且六组第二折流坎6等距离的设置在变直径旋流洞5的内壁上，通过将第二折流坎6等距离设置在变直径旋流洞5的内壁上，使得水流在变直径旋流洞5内的消能更好；

变直径旋流洞5的断面为圆形，进口直径D1由下泄流量Q确定，D1=Q0.3～0.5/1.58,出口直径D2=0.5～0.8D1，变直径旋流洞5长L1=2～5D1，且等直径旋流洞7的断面为圆形，进口与出口直径均为D2，等直径旋流洞7长L2=1～2L1，L1+L2≥5D1，并且渐变段9布置在泄洪洞10的上游，是等直径旋流洞7与泄洪洞10的连接段，其长度L3取决于泄洪洞10和等直径旋流洞7的体型，满足不同断面之间的平稳过渡要求，通过这种数据建造的旋流洞，使得水流在旋流洞中的效能率得到最大化；

洞壁凸台8沿等直径旋流洞7洞轴向右侧均匀等间距布置，第一个洞壁凸台8与等直径旋流洞7进口的距离L4=1～2D2，各洞壁凸台8之间的间距L5=0.5～2D2，共计n个凸台，n=[L2-2×L3/L4+1]取整，使得洞壁凸台8在等直径旋流洞7内的消能效果得到最大化；

金属阻流门13还包括：

金属卡栓12，其固定连接在金属阻流门13的底部；

金属绳索14，其对称固定连接在金属阻流门13顶部的前后两端，使得金属阻流门13在上升时更加平稳；

自动收绳机15，其活动连接在金属绳索14的端部，使得金属阻流门13能够自动上升下降；

固定支架16，其固定连接在自动收绳机15的底部，且固定支架16垂直固定安装在地面的顶部；

金属卡栓12的数量为十二个，且十二个金属卡栓12每六个为一组，并且两组金属卡栓12以金属阻流门13的中垂线为对称轴对称设置，而且金属卡栓12通过卡槽11与泄洪洞10构成卡合结构，并且金属卡栓12的外部尺寸与卡槽11的内部尺寸完全吻合，通过设置成卡合结构的金属卡栓12和泄洪洞10，使得金属阻流门13能够牢牢封住泄洪洞10。

工作原理：在使用该提高水平旋流消能率的旋流洞结构时，根据图1、图2和图3，当需要泄洪时，水流通过水平旋流井1进入起旋室2内，同时外部空气通过通气竖井3进入起旋室2内，水流通过第一折流坎4进行初步消能，接着水流进入变直径旋流洞5内，通过第二折流坎6来加强水流在变直径旋流洞5内的起旋效果，接着水流进入等直径旋流洞7内，通过洞壁凸台8增加水流在等直径旋流洞7内的消能效果，最后经过多次消能的水流通过渐变段9进入泄洪洞10内；

根据图1、图2和图4，打开固定支架16顶部的自动收绳机15，自动收绳机15收取金属绳索14来带动金属阻流门13稳定上升，金属阻流门13上升来让金属卡栓12与卡槽11分离，以此来让泄洪洞10内的水流排出；

实施例：

Q=1040,D1=10m，D2=6m，R1=0.5m，L1=30m，L2=35m，L3=25m，L4=10m，L5=5m，n=4；

变直径旋流洞5和等直径旋流洞7的长度及直径、洞壁凸台8总个数，最优参数需要通过模型试验或水力学仿真模拟确定，其取决于流量、流速、消能率等。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构，其特征在于，包括：

水平旋流井，其用来水平对水流进行泄洪操作，且水平旋流井的底部固定设置有起旋室，并且起旋室的左侧固定连接有通气竖井，而且通气竖井的另一端与外界空气相连接；

变直径旋流洞，其固定连接在所述起旋室的右侧，且变直径旋流洞的端部固定连接有等直径旋流洞，并且等直径旋流洞的端部固定安装有渐变段，而且渐变段的端部固定连接有泄洪洞，并且泄洪洞的底部内壁上开设有卡槽；

洞壁凸台，其设置在等直径旋流洞的内壁上，且洞壁凸台的断面为半圆形，紧贴于等直径旋流洞内侧洞壁上；

金属阻流门，其垂直贯穿连接在所述泄洪洞的内部，且金属阻流门上下滑动连接在泄洪洞的内部边侧上。

2.根据权利要求1所述的一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构，其特征在于：所述起旋室的内部设置有第一折流坎，且第一折流坎设置在起旋室的水流出口一侧。

3.根据权利要求1所述的一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构，其特征在于：所述变直径旋流洞的内部甚至有第二折流坎，且第二折流坎的数量为十二个，并且十二个第二折流坎每两个为一组，而且六组第二折流坎等距离的设置在变直径旋流洞的内壁上。

4.根据权利要求1所述的一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构，其特征在于：所述变直径旋流洞的断面为圆形，进口直径D1由下泄流量Q确定，D1=Q（0.3～0.5）/1.58,出口直径D2=（0.5～0.8）D1，变直径旋流洞长L1=（2～5）D1，且等直径旋流洞的断面为圆形，进口与出口直径均为D2，等直径旋流洞长L2=（1～2）L1，（L1+L2）≥5D1，并且渐变段布置在泄洪洞的上游，是等直径旋流洞与泄洪洞的连接段，其长度L3取决于泄洪洞和等直径旋流洞的体型，满足不同断面之间的平稳过渡要求。

5.根据权利要求1所述的一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构，其特征在于：所述洞壁凸台沿等直径旋流洞洞轴向右侧均匀等间距布置，第一个洞壁凸台与等直径旋流洞进口的距离L4=（1～2）D2，各洞壁凸台之间的间距L5=（0.5～2）D2，共计n个凸台，n=[（L2-2×L3）/L4+1]取整。

6.根据权利要求1所述的一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构，其特征在于：所述金属阻流门还包括：

金属卡栓，其固定连接在所述金属阻流门的底部；

金属绳索，其对称固定连接在所述金属阻流门顶部的前后两端；

自动收绳机，其活动连接在所述金属绳索的端部；

固定支架，其固定连接在所述自动收绳机的底部，且固定支架垂直固定安装在地面的顶部。

7.根据权利要求6所述的一种提高水平旋流消能率的旋流洞结构，其特征在于：所述金属卡栓的数量为十二个，且十二个金属卡栓每六个为一组，并且两组金属卡栓以金属阻流门的中垂线为对称轴对称设置，而且金属卡栓通过卡槽与泄洪洞构成卡合结构，并且金属卡栓的外部尺寸与卡槽的内部尺寸完全吻合。

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