CN116219975A - 掺气消能与防气爆泄洪装置及其泄洪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了掺气消能与防气爆泄洪装置及其泄洪方法，属于水利消能泄洪技术领域，包括竖井，所述竖井顶端连通有涡室，所述涡室连通有连接段，所述竖井底端连通有消能箱，所述消能箱连通有泄洪管道，所述竖井内壁环绕设置有滑移组件，所述滑移组件包括可滑动的滑动块，所述竖井底端设有转动组件，所述转动组件包括能扰动水体的球体和转板，所述泄洪管道内固定有锐缘孔板以及弧形板，所述弧形板连接有排气组件。本发明通过滑块拦截竖井内水流，减缓冲击，转动组件引导水流进入泄洪管道，并通过排气组件的作用下实现气水分离，解决了泄洪时水体冲击过大而不稳定的问题。

Description

掺气消能与防气爆泄洪装置及其泄洪方法

技术领域

本发明属于水利消能泄洪技术领域，具体涉及一种掺气消能与防气爆泄洪装置及其泄洪方法。

背景技术

旋流泄洪洞是由导流洞改建成永久泄洪洞的一种消能工形式。旋流泄洪洞视其旋转水流发生的位置，可分为竖井旋流消能和水平旋流消能，其原理均利用旋转水流的离心力形成空腔，增大洞壁压力和水力摩阻，延长流程，达到防止空蚀和消能的目的。旋流式竖井泄洪洞一般由引水段、涡室、竖井和出水段四部分组成。由于水流旋转作用和贴壁水流层厚度相对较薄，增加了竖井段的消能率。

目前现有旋流竖井消能排气方案主要有：在泄洪洞前段设置阻水墩且在末段设置通气井装置；在旋流竖井泄洪洞进口设置折流坎且在出口段设置集气坎、通气井、破气坎等；采用竖向压板技术和多孔平板技术或洞塞体和通气孔；用潜水起旋墩阻流消能；在泄洪洞顶设置一排排气井，通过排气井分流泄洪消能。其中水流进入竖井时，旋状水流冲击底部形成强大冲击，不利于对水体稳定导流泄洪。

公告号为US20130276926A9的美国专利，公开了一种带双涡室的充气式旋转竖井，包括上涡室以及第一收缩段，第一收缩段位于上涡室的下方，上涡室外部设有通风通道，第一收缩段下方设有竖井段以及充气的下涡室，第一收缩段与竖井段之间设有与下涡室连通的第二收缩段，下涡室的上端与第一收缩段连接，第二收缩段下端与竖井段连接，该发明能实现竖井段内水体的流畅排出，且竖井段的避免能避免因气蚀和空蚀而被破坏，保证长期使用的稳定性。但该发明中上涡室形成的旋流进入竖井后，对竖井底部的冲击较大，容易引起气爆，同时也易导致泄洪时水体的流态不稳定，导致泄洪速率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对水流多方位消能缓冲，并通过水气分离来提高流体稳定程度的一种掺气消能与防气爆泄洪装置及其泄洪方法。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：

掺气消能与防气爆泄洪装置，包括：竖井，竖井顶端连通有涡室，涡室侧方连通有连接段，涡室上方连通有通气孔，竖井内壁环绕布设有安装槽，安装槽连接有滑移组件。水流经由连接段进入涡室，形成旋状水流的同时通过通气孔吸入大量空气最终进入竖井，竖井内壁环绕设置的安装槽一方面减小耗材，降低建筑成本，另一方面部分旋状水体向下流动进入安装槽后流出，与持续向下的旋流反向作用来抵消部分水能，帮助降低竖井底部受到的水体冲击，有利于水流从竖井流出时的流态稳定，加速泄洪速率。

优选地，滑移组件包括滑动块，滑动块的一端滑移设置在安装槽内，滑动块另一端伸出安装槽位于竖井内侧。贴近竖井内壁的旋状水流与滑动块接触，通过滑动块破坏竖井内壁上水流的旋状轨迹，降低其向下的冲击势能，保护竖井底部边缘处的结构强度，防止冲击力度过大引起壁体破损导致水体泄漏，引发重大坍塌事故。

优选地，滑动块位于安装槽内一端的上下方均设置有抵接头，抵接头与安装槽相近的端面之间设有弹簧。滑动块可相对安装槽上下滑动，水体沿竖井内壁流动时与滑动块伸出端接触，能减缓部分水体的流动速度从而消能，减轻水体冲击底部引起的结构震动，有利于竖井的使用年限，向下流动的水体作用滑动块，使其通过抵接头向下挤压弹簧在安装槽内滑动，实现冲击力的传递和能量消耗，一方面降低水体冲击底部时的流态紊乱程度，进一步提高水体的流态稳定度，有利于快速、稳定地进行泄洪，另一方面降低水体冲击震动引起的噪声，实现降噪水流与环绕设置在竖井内壁的多个滑动块接触，形成逐次的多级能量消耗，扩大了对旋流的拦截效果和拦截范围，进一步减慢水流从而降低底部紊流的形成几率，有利于水流以稳态离开竖井以便后续泄洪，水体冲击竖井底部后反向作用滑动块，滑动块在弹簧作用下上下反复滑移，有利于带动水中气体向竖井中部上方流动，避免竖井底部因紊流造成气压过高引起泄洪气爆。

优选地，滑动块伸出安装槽的一端开设有多个引流槽，引流槽为弧形槽。弧形槽能把螺旋向下流动的水体引导至沿竖井内壁横向流动，一方面降低水体对滑动块的冲击，防止滑动块持续撞击安装槽引发震动造成材料干涉，另一方面，上下移动的滑块将向下的旋状水流水体引流，形成在不同水平高度沿竖井内壁流动的水流，该流动水流与后续旋流作用并消除旋流在竖井内竖直向下的分力，进一步降低竖井底部冲击，有利于保护竖井和稳态水流的形成，提高泄洪稳定性。

优选地，竖井底部设有转动组件，转动组件包括固定于竖井内底中心的轴承座，轴承座内固定有轴承，轴承转动连接有底座，底座上方固定有限位架，限位架内转动设置有球体，球体向外对称连接有转板。到达竖井底部的水流能与球体上的转板接触，使球体带动转板在限位架空隙内小幅度摆动，对底部水体进行初步消能，转板抵接限位架后，后续持续作用的水体通过转板带动限位架、底座相对于轴承发生轴向旋转，形成向上旋流反向作用水体来削减旋转水体的能量，保护竖井底部结构强度，同时避免向下的旋流速度过快引起竖井底部中心处低压，防止泄洪排水的流速过慢引起水堵，且向上旋流能带动水中气体向上聚拢，降低底部气体堆积引起紊流的几率，提高流体稳态程度，限位架对球体转动限位，使球体能带动转板在限位架空隙内多方位转动，扩大对水体消能的范围，进一步稳定水体流态，提高了消能率。

优选地，竖井底部侧方连通有消能箱，消能箱连通设置有泄洪通道，泄洪通道向上连通设置有排气孔。

优选地，泄洪通道内间隔设置有锐缘孔板，锐缘孔板之间固定有弧形板，弧形板为带孔板体，弧形板与泄洪通道形成与排气孔连通的腔室。锐缘孔板能对泄洪通道内水体消能以保证流体稳定，且能加固泄洪通道的结构稳定，降低气爆破坏可能，水中掺杂的气体在泄洪通道内上浮，并通过弧形板的开孔进入腔室并最终从排气孔排出。

优选地，泄洪通道内还设有排气组件，排气组件包括固定于弧形板底部的顶板，顶板在面积较大的两侧固定有侧板，顶板在面积较小的两侧固定有第一挡板，侧板之间连接有第二挡板，顶板开设有多个气孔，气孔与弧形板的孔体连通。水中气体能通过气孔进入空腔进行排气以防止气爆，水体流动方向水体先后被第一挡板和第二挡板引导，对尚未稳定的紊流导流，一方面提高水体稳态有利于泄洪效能，另一方面稳定流态有助于对气水及时分离，提高了腔室收集气体排出效率，有效排出因掺气消能的不利气体混入泄洪通道导致气爆破坏的风险，且在泄洪通道内水体向下流动，减少了水体堵塞弧形板开孔的几率，防止气体在通道内积压导致无法泄洪。

本发明由于采用了滑移组件和转动组件对涌入竖井的水体消能缓冲，并实现引流，因而具有如下有益效果：滑动块滑动设置在环绕设置的安装槽内，阻断旋流轨迹并减速，减小底部冲击以保护竖井结构；滑动块阻流时通过弹簧形变实现上下摆动，既通过弹簧形变实现消能，也弹簧形变吸收震动噪声；环绕设置的滑动块对水体多级减速，扩大消能范围，利于流态稳定从而快速泄洪；水体带动转动组件旋转对竖井底部水体横向导流，有利于水体快速经过消能箱进入泄洪通道，提高泄洪速率；转板和球体形成反向旋流抵消水能，防止中心旋流低压引起泄洪堵塞；排气组件将紊流引导成稳态流体，提高泄洪速率，且提高排气效果，防止气爆破坏。因此，本发明是一种对水流多方位消能缓冲，并通过水气分离来提高流体稳定程度的一种掺气消能与防气爆泄洪装置及其泄洪方法。

附图说明

图1为竖井半剖示意图；

图2为图1中A区域放大示意图；

图3为转动组件示意图；

图4为泄洪通道与排气孔半剖示意图；

图5为锐缘孔板与弧形板连接示意图；

图6为排气组件布设示意图；

图7为排气组件结构示意图；

图8为气孔位置示意图。

附图标号：竖井1；涡室10；通气孔100；连接段11；安装槽12；滑移组件2；滑动块20；抵接头21；弹簧22；引流槽23；转动组件3；轴承座30；轴承31；底座32；限位架33；球体34；转板35；消能箱4；泄洪通道5；排气孔50；锐缘孔板6；弧形板7；腔室8；排气组件9；顶板90；侧板91；第一挡板92；第二挡板93；气孔94。

具体实施方式

以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

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。

参见附图1，掺气消能与防气爆泄洪装置，包括：竖井1，竖井1顶端连通有涡室10，涡室10侧方连通有连接段11，涡室10上方连通有通气孔100，竖井1内壁环绕布设有安装槽12，安装槽12连接有滑移组件2。

水流经由连接段11进入涡室10，形成旋状水流的同时通过通气孔100吸入大量空气最终进入竖井1，竖井1内壁环绕设置的安装槽12一方面减小耗材，降低建筑成本，另一方面部分旋状水体向下流动进入安装槽12后流出，与持续向下的旋流反向作用来抵消部分水能，帮助降低竖井1底部受到的水体冲击，有利于水流从竖井1流出时的流态稳定，加速泄洪速率。

参见附图2，滑移组件2包括滑动块20，滑动块20的一端滑移设置在安装槽12内，滑动块20另一端伸出安装槽12位于竖井1内侧。

贴近竖井1内壁的旋状水流与滑动块20接触，通过滑动块20破坏竖井1内壁上水流的旋状轨迹，降低其向下的冲击势能，保护竖井1底部边缘处的结构强度，防止冲击力度过大引起壁体破损导致水体泄漏，引发重大坍塌事故。

滑动块20位于安装槽12内一端的上下方均设置有抵接头21，抵接头21与安装槽12相近的端面之间设有弹簧22。

滑动块20可相对安装槽12上下滑动，水体沿竖井1内壁流动时与滑动块20伸出端接触，能减缓部分水体的流动速度从而消能，减轻水体冲击底部引起的结构震动，有利于竖井1的使用年限，向下流动的水体作用滑动块20，使其通过抵接头21向下挤压弹簧22在安装槽12内滑动，实现冲击力的传递和能量消耗，一方面降低水体冲击底部时的流态紊乱程度，进一步提高水体的流态稳定度，有利于快速、稳定地进行泄洪，另一方面降低水体冲击震动引起的噪声，实现降噪水流与环绕设置在竖井1内壁的多个滑动块20接触，形成逐次的多级能量消耗，扩大了对旋流的拦截效果和拦截范围，进一步减慢水流从而降低底部紊流的形成几率，有利于水流以稳态离开竖井1以便后续泄洪，水体冲击竖井1底部后反向作用滑动块20，滑动块20在弹簧22作用下上下反复滑移，有利于带动水中气体向竖井1中部上方流动，避免竖井1底部因紊流造成气压过高引起泄洪气爆。

滑动块20伸出安装槽12的一端开设有多个引流槽23，引流槽23为弧形槽。

引流槽23能把螺旋向下流动的水体引导至沿竖井1内壁横向流动，一方面降低水体对滑动块20的冲击，防止滑动块20持续撞击安装槽12引发震动造成材料干涉，另一方面，上下移动的滑动块20将向下的旋状水流水体引流，形成在不同水平高度沿竖井1内壁流动的水流，该流动水流与后续旋流作用并消除旋流在竖井1内竖直向下的分力，进一步降低竖井1底部冲击，有利于保护竖井1和稳态水流的形成，提高泄洪稳定性。

参见附图3，竖井1底部设有转动组件3，转动组件3包括固定于竖井1内底中心的轴承31座30，轴承31座30内固定有轴承31，轴承31转动连接有底座32，底座32上方固定有限位架33，限位架33内转动设置有球体34，球体34向外对称连接有转板35。

到达竖井1底部的水流能与球体34上的转板35接触，使球体34带动转板35在限位架33空隙内小幅度摆动，对底部水体进行初步消能，转板35抵接限位架33后，后续持续作用的水体通过转板35带动限位架33、底座32相对于轴承31发生轴向旋转，形成向上旋流反向作用水体来削减旋转水体的能量，保护竖井1底部结构强度，同时避免向下的旋流速度过快引起竖井1底部中心处低压，防止泄洪排水的流速过慢引起水堵，且向上旋流能带动水中气体向上聚拢，降低底部气体堆积引起紊流的几率，提高流体稳态程度，限位架33对球体34转动限位，使球体34能带动转板35在限位架33空隙内多方位转动，扩大对水体消能的范围，进一步稳定水体流态，提高了消能率。

参见附图1，竖井1底部侧方连通有消能箱4，消能箱4连通设置有泄洪通道5，泄洪通道5向上连通设置有排气孔50。

参见附图4-附图5，泄洪通道5内间隔设置有锐缘孔板6，锐缘孔板6在相近端面之间固定有弧形板7，弧形板7为带孔板体，且弧形板7的两个面积较小的端面分别与锐缘孔板6端面固定，弧形板7的弯曲面与泄洪通道5上方内壁之间存在间隔空间，弧形板7与泄洪通道5内壁形成与排气孔50连通的腔室8。

需要说明的是，锐缘孔板6为中心开孔的圆形板，锐缘孔板6在背离消能箱4一端的孔边缘处开设有内缘斜坡，内缘斜坡的坡角为锐角。

锐缘孔板6能对泄洪通道5内水体消能以保证流体稳定，且能加固泄洪通道5的结构稳定，降低气爆破坏可能，水中掺杂的气体在泄洪通道5内上浮，并通过弧形板7的开孔进入腔室8并最终从排气孔50排出。

参见附图6-附图8，泄洪通道5内还设有排气组件9，排气组件9包括固定于弧形板7底部的顶板90，顶板90在面积较大的两侧固定有侧板91，顶板90在面积较小的两侧固定有第一挡板92，侧板91之间连接有第二挡板93，顶板90开设有多个气孔94，气孔94与弧形板7的孔体连通。水中气体能通过气孔94进入空腔进行排气以防止气爆，水体流动方向水体先后被第一挡板92和第二挡板93引导，对尚未稳定的紊流导流，一方面提高水体稳态有利于泄洪效能，另一方面稳定流态有助于对气水及时分离，提高了腔室8收集气体排出效率，有效排出因掺气消能的不利气体混入泄洪通道5导致气爆破坏的风险，且在泄洪通道5内水体向下流动，减少了水体堵塞弧形板7开孔的几率，防止气体在通道内积压导致无法泄洪。

掺气消能与防气爆泄洪装置，其泄洪的具体方法是：

水流携带大量空气经过连接段11成一定角度流入涡室10；

水流在涡室10导流作用下形成绕竖井1垂直轴的旋转，旋转中部带有空腔，通过通气孔100吸收外界大量空气，进入竖井1内；

竖井1中的旋流向下流动与滑动组件接触，通过滑动组件消耗水能和阻断水流轨迹，提高消能率和水体到达竖井1底部的稳定性；

水流到达竖井1底部后与作用转动组件3，使其转动并将水流引导至消能箱4，消能箱4中的水体持续进入泄洪通道5，其中通过排气组件9对水体引导，水中气体通过排气组件9进入腔室8实现水气分离，腔室8内气体从排气孔50排出，水流从泄洪通道5末端排出。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.掺气消能与防气爆泄洪装置，包括：竖井（1），所述竖井（1）顶端连通有涡室（10），所述涡室（10）侧方连通有连接段（11），所述涡室（10）上方连通有通气孔（100），

其特征是：所述竖井（1）内壁环绕布设有安装槽（12），所述安装槽（12）连接有滑移组件（2）。

2.根据权利要求1所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征是：所述滑移组件（2）包括滑动块（20），所述滑动块（20）的一端滑移设置在所述安装槽（12）内，所述滑动块（20）另一端伸出所述安装槽（12）位于所述竖井（1）内侧。

3.根据权利要求2所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征是：所述滑动块（20）位于所述安装槽（12）内一端的上下方均设置有抵接头（21），所述抵接头（21）与所述安装槽（12）相近的端面之间设有弹簧（22）。

4.根据权利要求2所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征是：所述滑动块（20）伸出所述安装槽（12）的一端开设有多个引流槽（23），所述引流槽（23）为弧形槽。

5.根据权利要求1所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征是：所述竖井（1）底部设有转动组件（3），所述转动组件（3）包括固定于所述竖井（1）内底中心的轴承座（30），所述轴承座（30）内固定有轴承（31），所述轴承（31）转动连接有底座（32），所述底座（32）上方固定有限位架（33），所述限位架（33）内转动设置有球体（34），所述球体（34）向外对称连接有转板（35）。

6.根据权利要求1所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征是：所述竖井（1）底部侧方连通有消能箱（4），所述消能箱（4）连通设置有泄洪通道（5），所述泄洪通道（5）向上连通设置有排气孔（52）。

7.根据权利要求6所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征是：所述泄洪通道（5）内间隔设置有锐缘孔板（6），所述锐缘孔板（6）之间固定有弧形板（7），所述弧形板（7）为带孔板体，所述弧形板（7）与所述泄洪通道（5）形成与所述排气孔（52）连通的腔室（8）。

8.根据权利要求7所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其特征是：所述泄洪通道（5）内还设有排气组件（9），所述排气组件（9）包括固定于所述弧形板（7）底部的顶板（90），所述顶板（90）在面积较大的两侧固定有侧板（91），所述顶板（90）在面积较小的两侧固定有第一挡板（92），所述侧板（91）之间连接有第二挡板（93），所述顶板（90）开设有多个气孔（94），所述气孔（94）与所述弧形板（7）的孔体连通。

9.根据权利要求7所述的掺气消能与防气爆泄洪装置，其泄洪方法在于以下步骤，其特征是：

水流携带空气经过所述连接段（11）流入所述涡室（10）；

水流在所述涡室（10）的导流作用下形成绕所述竖井（1）垂直轴的向下旋流，旋流通过所述通气孔（100）吸收空气并进入所述竖井（1）；

所述竖井（1）中的旋流与所述滑移组件（2）接触后被减速并到达所述竖井（1）底部。

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