CN116446358A - 一种调整水流均匀性的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调整水流均匀性的系统，其通过在外侧竖井与环形溢流堰之间泵站尾水池内布置环形整流格栅，增加过堰水流环形分布的均匀性；环形溢流堰堰口直径小于下部内侧竖井内径，环形堰内径采用上大下小的设计，使过堰水流充分掺混、扩散、分布均匀；环形溢流堰堰口附近设置上、下两层整流墩，其末端设一45度挑坎，使水流沿半径方向扩散更加充分；上层整流墩末端设置消涡梁，多个消涡梁形成环形梳齿状组合消涡梁，消弱表面旋涡，增加水流均匀性；在出水管进口设喇叭口，使进入出水管的水流对称分布、进入出水管的气泡偏离顶中心线的范围尽量小，便于排气阀将汇集到管道顶部的气泡排出；出水管进口向竖井中心伸入，可减少进入出水管的气泡量。

Description

一种调整水流均匀性的系统

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种调整水流均匀性的系统。

背景技术

长距离调水、输水工程中通常采用高位水池稳定泵站的尾水位，并且内侧竖井水位随输水管道的糙率变化及输水流量的变化自动调节，内侧竖井的水位变化不影响泵站的尾水位及设计杨程，保证泵站供水水头的稳定性。现有技术中的高位水池通常设计为圆筒形，水从尾水管进入尾水池后先经过环形溢流堰，然后溢流入内侧井中，井下部连接有出水管，井中水位随输水流量及管道水头损失的变化而变化。现有技术存在以下缺陷：进入竖井内水流均匀性较差，单位面积上的水流能量集中，造成竖井内局部流速大于气泡上浮速度，使较多气泡进入出水管，可能在高压出水管内形成气囊等不利水流流态，影响输水能力，对管道安全运行构成威胁；竖井内水位落差较大，从环形溢流堰顶跌落到最低运行水位可达到十几米，会增加消能层厚度，水流落差会造成大量的气泡掺混到水体中，气泡下潜深度增加，出现较多大直径气泡随水流进入到出水管中，在排气能力不足或排气阀失效时高压出水管道内可能出现气囊等不利流态，加剧供水管道水压的波动幅度，有可能损坏供水管道，失去供水能力。

例如授权公告号为CN 109138064 B的中国发明专利，其公开了一种防掺气方法及设有防掺气结构的高位水池，设置下位蓄水装置，下位蓄水装置内蓄有水，设置高于下位蓄水装置的上位蓄水装置，设置连通上位蓄水装置和下位蓄水装置的输水管，输水管的下管口与下位蓄水装置连通，下管口的位置设在下位蓄水装置内的水面以下。有益效果：水从上位蓄水装置流入下位蓄水装置时，通过下管口直接注入下位蓄水装置的水面以下，形成稳定的淹没水流，可抑制水流掺气，还可减小供水管道水压的波动幅度，有利于减小供水管道的故障风险，可提高供水系统长距离供水的可靠性。但整体结构较复杂，由于输水管管径为固定值，不能适应输水过程中流量变化范围，会造成输水管进口脱空现象。当尾水池出现脱空露底情况下，同样会出现气泡进入竖井内。输水管的管径较小，当有异物进入尾水池后容易造成输水管堵塞情况，功能失效。由于输水管水流流量变化大，在尾水池内可能出现由于水深较浅形成较强吸气旋涡，同样会造成气泡进入竖井内。当内侧竖井水位与尾水池水位相差较小时，竖井内会出现临界过渡流态，输水管是靠水面差工作，当水面差变小趋于0m时，输水管失效，此时竖井内水面会出现由于不对称水流产生漩涡，漩涡局部流速过大，使较大直径的气泡下潜较深进入出水管，为管道安全运行构成威胁。另外，内侧竖井的管径上下一致，而且溢流堰处的管壁为光滑竖直曲面，当输水管的输水能力小于供水流量时，水流会通过环形溢流堰在竖井内形成跌流流态，过堰水流跌落进入内侧竖井时水流扩散不充分，造成局部流速较大，容易使跌流掺气下潜较深，出水管大量进气，使出水管道不稳定，影响输水能力。

又例如公布号为CN 209873965 U的中国发明实用新型专利，其公开了一种多组弯管构成的新型高位水池装置，包括内井、外井、隔板和若干溢流管，溢流管的一端在溢流槽内设有第一管口，溢流管的另一端与内井连通形成第二管口，第一管口高于第二管口，溢流管在溢流槽内弯曲形成第一弯折部，第一弯折部高于第一管口。有益效果：溢流管可分流通过溢流堰的水流。水流通过溢流管注入内井的方式比通过溢流堰落下到内井的方式更能抑制掺气现象。第一弯折部高于第一管口，可使溢流槽内的水深达到一定程度之后才通过溢流管向内井中引流，可防止溢流槽内水深过浅造成的吸气漩涡，有利于减小溢流管引流时产生的掺气，且有利于减小整个高位水池装置的振动。本实用新型涉及水工建筑。不利弊端：第一弯折部高于第一管口，如果溢流管内积气后，由于气体特性，气体会堆积在弯折部无法排出，类似虹吸管内弯折顶部气体，由于气体压强较高，水流不能经过溢流管进入竖井，溢流管失效。当部分溢管失效或溢流管溢流能力小于输水流量，溢流槽内水位上升高于溢流堰顶，水流越过堰顶在竖井内形成跌流流态，同样会由于水流集中造成局部流速过大，出现大量气泡进入出水管中。当竖井水位由于管道糙率增加或流量增大，竖井水位在溢流堰顶附近，竖井内水流流态为临界过渡流时，溢流管进水口低于内井水位，溢流管失效，此时由于水流的不对称分布，在水面会产生强旋涡，旋涡会卷吸气泡进入水体，旋涡局部流速较大，能携带较多大直径的气泡下潜到出水管进口附近进入出水管，可能在高压出水管内形成气囊，影响输水能力，给输水系统造成危害。

发明内容

本发明为长距离调水、输水系统的首部工程，为输水系统提供动力。泵站将水体经过尾水管输送进入外侧竖井与环形溢流堰形成的尾水池内，尾水池水满后越过环形溢流堰进入内侧竖井，再通过出水管将水输送到预定地方。出水管道距离长，由于水生生物或其他杂质在管道内堆积，增大管道内糙率，需增大输水动力才能保证输水能力不变。为了适应糙率的变化及不同的输水流量，此结构下内侧竖井内水位随管道损失增大自动升高，保证输水能力不变。当内侧竖井水位与环形溢流堰顶高程相差较大时，竖井内会出现环形溢流堰溢流-竖井跌流流态；当竖井水位在环形溢流堰顶附近时，竖井内会出现临界过渡流态；当竖井内水位远高于环形溢流堰顶高程时，竖井内会出现完全淹没流态。在环形溢流堰溢流竖井跌流流态状态下，水流跌落会在竖井内形成消能层，水体内会卷入大量气泡，气泡直径从小到大多种情况存在，不同气泡在水体中的上浮速度不一样，一般地气泡大的上浮速度快，气泡小的上浮速度小。当掺入水体中的气泡上浮速度大于竖井内水流向下的流速时，气泡会溢出水面，当水流速度大于气泡上浮速度，气泡会随水流进入出水管，由于不同流态下竖井内水流不可能完全均匀分布，会出现局部流速过大现象，当向下流速大于气泡上浮流速时，则水流会携带气泡使气泡进入出水管内。在临界过渡流态时，由于来流的不对称，竖井内水面会产生旋涡，旋涡处流速较大，并且会影响较深水体的流速，会携带大量直径较大气泡下潜到较深接近出水管位置并进入出水管。因此，在断面平均流速小于某一直径气泡上浮速度，理论上直径大于等于某一直径的气泡均能从水体中溢出。由于水流流态的不均匀及旋涡流的作用，导致竖井内局部流速大于气泡上浮速度，造成气泡进入出水管内，当出水管内累积较多气泡后会在管道内形成气囊等不利流态，给高压出水管道运行带来危害，因此本发明提出改善竖井内水流均匀性的系统，增加竖井内水流分布的均匀性。

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种调整水流均匀性的系统，通过在外侧竖井与环形溢流堰之间泵站尾水池内布置环形整流格栅，减弱因尾水管集中布置造成水流不对称及尾水管出口局部涌浪较高现象，增加过堰水流环形分布的均匀性；在出水管进口设置喇叭口，使进入出水管的水流流态对称，出水管进口向竖井中心伸入，竖井中心水流流速较其他部位的水流流速小，其携带气泡的能力小，减少进入出水管的气泡量；内侧竖井堰口直径小于下部竖井内径，并且该堰口内径采用上大下小的设计，此结构使过堰水流进入内侧竖井后水流落点位于竖井中部，利于水流充分掺混、扩散，使水流尽快达到分布均匀的效果。

本发明提出一种调整水流均匀性的系统，该系统包括外侧竖井、环形溢流堰和内侧竖井，及环形整流格栅、上层整流墩、下层整流墩、环形梳齿状组合消涡梁等整流措施。所述自适应糙率变化输水结构由外侧竖井、内侧竖井与环形溢流堰构成，对出水管道糙率随时间变化大的输水系统有很好的适应性，避免由于糙率变化造成泵站设计扬程重新设计，泵站重新选型，造成系统输水能力不能满足设计要求或增加大量投资；所述调整水流均匀性的结构包括位于外侧竖井与环形溢流堰之间的整流格栅、设置在环形溢流堰内侧堰顶附近上下层整流墩及布置在上层整流墩末端的消涡梁组成的环形梳齿状组合式消涡梁。环形梳齿状组合式消涡梁可以消除或减弱竖井内临界过渡流态时的表面漩涡，减弱或消除由于旋涡作用使大颗粒气泡下潜较深而进入出水管道的风险。在外侧竖井与环形溢流堰之间设置整流格栅的目的是减弱因尾水管集中布置及管道局部涌浪较高造成水流不对称现象，增加过堰水流环形分布的均匀性。环形溢流堰顶附近的上下层整流墩的作用使水流沿半径方向扩散更加充分，且可以通过碰撞消除部分水流能量。

优选的是，所述外侧竖井和内侧竖井为圆形薄壁结构。外侧竖井位于内侧竖井上部，环形溢流堰布置在外侧竖井底板上且在中部；内侧竖井进口直径小于竖井下部内径。

在上述任一方案中优选的是，所述环形溢流堰的截面为顶部削圆的三角形形状，即上端窄下端宽；环形溢流堰的堰口直径小于下部内侧竖井的内径，环形溢流堰底部直径与内侧竖井进口直径相同。

在上述任一方案中优选的是，所述环形溢流堰的堰口直径为下部内侧竖井内径的0.5-0.6倍。通过大量试验证明，当堰口直径为内侧竖井内径的0.5-0.6倍时，能够使过堰水流进入内侧竖井后水流落点位于竖井中部，且利于水流充分掺混、扩散，使水流尽快达到分布均匀的效果。

在上述任一方案中优选的是，所述外侧竖井与环形溢流堰围成环形尾水池。

泵站提水通过布置在外侧竖井井壁若干泵站尾水管后首先进入环形尾水池，水满后溢流进入内侧竖井，根据输水流量及出水管道糙率变化，内侧竖井自动适应因糙率及输水流量变化的水位变化，即自动为输水提供合适的动力，随时间推移，出水管道内会产生一种水生生物，水生生物堆积在管道内壁，造成出水管道内糙率增加，出水管道水头损失将会加大，输送相同流量需要竖井内水位会更高，这个过程中不需要调整泵站的扬程来克服由于糙率增加造成水流损失的增加，从而实现了自适应糙率变化的过程，保证泵站的扬程保持在固定范围内变化。

在上述任一方案中优选的是，所述环形尾水池的外侧竖井壁周围分布多个电站尾水管，尾水管的出口处及相对方向的整流格栅的分布间隙小于其他部位整流格栅的分布间隙，从而减弱因尾水管集中布置造成水流不对称及尾水出口局部涌浪较高现象，增加过堰水流环形分布的均匀性。

在上述任一方案中优选的是，所述整流结构包括多组上层整流墩和下层整流墩，上层整流墩与下层整流墩绕环形溢流堰的内侧壁在环形溢流堰顶附近上下两层交错开均匀分布，上下两层整流墩的高程差在0.8-1.5m之间。当竖井内水流流态为跌流流态时，水流过环形溢流堰后先跌落在上层整流墩上表面，后分散两侧跌落在下层整流墩上，水流沿半径方向扩散，当水流跌落进入内侧竖井时，呈环形带状分布，减小单位面积上的水流能量，增加水流扩散程度，从而使竖井水流分布均匀性增加。

在上述任一方案中优选的是，所述环形梳齿状组合消涡梁包括布置在多组上层整流墩末端高度在0.8-1.2m的消涡梁，均匀分布呈环形梳齿状。当竖井内水流流态为临界过渡流时，由于水流的不对称分布，在水面会产生旋涡，旋涡会卷吸气泡进入水体，并且旋涡局部流速较大，能携带较多大直径的气泡下潜到出水管进口附近进入出水管，此结构可以消除或减弱过堰水流的不对称性造成竖井内水体表面漩涡，减弱或消除大颗粒气泡由于旋涡作用使气泡下潜进入出水管。

在上述任一方案中优选的是，所述上层整流墩与下层整流墩末端为带有45度斜向上的挑坎。

在本实施例中，在环形溢流堰内侧，堰顶附近不同高程间隔布置上、下两层不同结构形式的整流墩，整流墩末端设置45度斜向上挑坎装置，当竖井水位远低于堰顶高程时，竖井内水流为跌流流态，此装置可以使跌落在整流墩顶面的水流向竖井中心挑落，实现跌落水流向两侧及沿半径方向充分扩散，并兼有碰撞消除部分水流能量的作用，使落入内侧竖井的水流形成环形带状分布，水流充分掺混分布更加均匀。

在上述任一方案中优选的是，所述内侧竖井的下端设有出水管，出水管的进水口为喇叭口，喇叭口向竖井中心伸入，使进入出水管的水流流态尽可能对称，通过大量试验证明，当出水管进口向竖井内中心伸入，伸入后的位置水流流速较其他部位小，其携带气泡的能力小，使进入出水管的气泡明显减少。

在上述任一方案中优选的是，所述喇叭口的端部位于内侧竖井管径的四分之一处，此时水流流速较其他部位小，使进入出水管的气泡最少。

附图标号说明

外侧竖井10，整流格栅11，环形梳齿状组合消涡梁12，上层整流墩121，下层整流墩122，挑坎123，环形溢流堰13，尾水池14，内侧竖井20，尾水管30，出水管40，喇叭口41。

附图说明

图1为按照本发明的调整水流均匀性的系统中调整水流均匀性的系统的结构示意图。

图2为按照本发明的调整水流均匀性的系统中图1所示优选实施例的俯视图。

图3为按照本发明的调整水流均匀性的系统中图1所示优选实施例中竖井的结构示意图。

图4为按照本发明的调整水流均匀性的系统中图1所示优选实施例中A处放大图。

图5为按照本发明的调整水流均匀性的系统中图1所示优选实施例中B处放大图。

图6为按照本发明的调整水流均匀性的系统中图1所示优选实施例中下层整流墩的结构示意图。

图7为按照本发明的调整水流均匀性的系统中图1所示优选实施例中环形梳齿状组合消涡梁及上层整流墩的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

如图1、图2所示，一种调整水流均匀性的系统，该系统包括外侧竖井10、环形溢流堰13和内侧竖井20，该系统包括自适应糙率变化输水结构和调整水流均匀性的结构，所述自适应糙率变化输水结构为外侧竖井10、环形溢流堰13和内侧竖井20，对出水管道糙率随时间变化大的输水系统有很好的适应性，避免由于糙率变化造成泵站重新选型，造成输水能力下降或增加大量投资；所述调整水流均匀性的结构包括位于外侧竖井10与环形溢流堰13之间的整流格栅11(见图4所示)以及设置在环形溢流堰13内侧的环形梳齿状组合消涡梁12，可以消除或减弱竖井内的表面漩涡，减弱或消除大颗粒气泡由于旋涡作用使气泡下潜进入尾水管道现象。在外侧竖井10与环形溢流堰13之间设置整流格栅11的目的是减弱因尾水管集中布置造成水流不对称及尾水管出口处局部涌浪较高现象，增加过堰水流环形分布的均匀性。

本申请的自适应糙率变化输水结构为满足掺入水体气泡上浮排出，使直径大于1mm的气泡能够上浮排出水体，1mm直径的气泡在静水中的上浮速度为0.25～0.3m/s，考虑到水流的不均匀性，在竖井设计时内侧竖井直径需满足下式要求：Q/(π·R²)<0.18m/s。Q为输水流量,单位m³/s，R为内侧竖井的半径，单位m；竖井内水流调整高度满足不小于1.5倍竖井直径。

在本实施例中，所述内侧竖井20的下端设有出水管40，出水管40的进水口为喇叭口41(见图5所示)，喇叭口41向竖井中心伸入，使进入出水管40的水流流态尽量对称，通过大量试验证明，当出水管40进口向竖井内中心伸入，伸入后的位置水流流速较其他部位小，其携带气泡的能力小，使进入出水管的气泡明显减少。

在本实施例中，所述喇叭口41的端部位于内侧竖井20管径的四分之一处，此时水流流速较其他部位小，使进入出水管的气泡最少。

如图3所示，按照本发明的调整水流均匀性的系统中图1所示优选实施例中竖井的结构示意图。

在本实施例中，所述环形溢流堰13的截面为顶部削圆的三角形状，即上端窄下端宽；环形溢流堰13的堰口直径小于下部内侧竖井20的内径，环形溢流堰13底部直径与内侧竖井20进口直径相同。

在本实施例中，所述环形溢流堰13的堰口直径为下部内侧竖井20内径的0.5-0.6倍。通过大量试验证明，当环形溢流堰13堰口直径为内侧竖井20内径的0.5-0.6倍时，能够使过堰水流进入内侧竖井20后水流落点位于竖井中部，利于水流充分掺混、扩散，使水流尽快达到分布均匀的效果。

在本实施例中，所述外侧竖井10与环形溢流堰13围成环形尾水池14。

泵站提水通过布置在外侧竖井10井壁若干泵站尾水管后首先进入环形尾水池14，水满后溢流进入内侧竖井20，根据输水流量及出水管道糙率变化，竖井内水位自动适应变化，为输水提供输水动力，随时间推移，出水管40内会产生一种水生生物，水生生物堆积在管道内壁，造成出水管40内糙率增加，出水管道40水头损失将会加大，输送相同流量需要竖井内水位升高，这个过程中不需要调整泵站的水泵扬程来克服由于糙率增加造成水流损失的增加，从而实现了自适应糙率变化的过程，保证泵站的扬程保持在小范围内变化。

在本实施例中，所述环形尾水池14的外侧竖井10壁周围分布多个电站尾水管30，尾水管30的出口处及相对方向的整流格栅11的分布间隙小于其他部位整流格栅11的分布间隙，从而减弱因尾水管30集中布置造成水流不对称及出口处局部涌浪较高现象，增加过堰水流环形分布的均匀性。

继续参阅图2所示，在本实施例中，所述环形梳齿状组合消涡梁12包括多组上整流墩121末端的消涡梁，以及多组上整流墩121末端高度在1.0m左右的消涡梁12，均匀分布呈环形梳齿状。当竖井内水位在堰顶附近时，竖井内水流流态为临界过渡流，由于水流的不对称分布，在水面会产生旋涡，旋涡会卷吸气泡进入水体，并且旋涡局部流速较大，能携带较多大直径的气泡下潜到出水管30进口附近进入出水管30，此结构可以消除或减弱竖井内的表面漩涡，减弱或消除由于旋涡作用使大颗粒气泡下潜进入尾水管40的现象。

最后参阅图6、图7所示，按照本发明的调整水流均匀性的系统中图1所示优选实施例中环形梳齿状组合消涡梁的整流墩的结构示意图。

在本实施例中，所述上层整流墩121与下层整流墩122为带有45度斜向上挑坎123布置在环行堰内侧堰顶附近的类似牛腿的等宽结构。

在本实施例中，所述整流装置包括多组上层整流墩121和下层整流墩122，上层整流墩121与下层整流墩122绕环形溢流堰13的内侧壁在环形溢流堰13顶附近上下两层交错开均匀分布，上下两层整流墩的高程差在0.8-1.5m之间，当竖井内水流为跌流流态时，此装置可以使跌落在墩顶面的水流向两侧跌落及向竖井中心挑落，实现跌落水流向两侧及沿半径方向扩散充分，并兼有碰撞消除部分能量的作用，使落入内侧竖井20的水流形成环形带状分布，水流充分掺混分布更加均匀。

本领域技术人员不难理解，本发明的调整水流均匀性的系统包括本说明书中各部分的任意组合。限于篇幅且为了使说明书简明，在此没有将这些组合一一详细介绍，但看过本说明书后，由本说明书构成的各部分的任意组合构成的本发明的范围已经不言自明。

Claims (10)

1.一种调整水流均匀性的系统，该系统包括外侧竖井(10)、环形溢流堰(13)和内侧竖井(20)，其特征在于：该系统还包括自适应糙率变化输水结构和调整水流均匀性的整流结构，所述自适应糙率变化输水结构为外侧竖井(10)、内侧竖井(20)和环形溢流堰(13)；所述调整水流均匀性的整流结构包括位于外侧竖井(10)与环形溢流堰(13)之间的整流格栅(11)、设置在环形溢流堰(13)内侧堰顶附近的上层整流墩(122)、下层整流墩(121)、布置在上层整流墩末端的竖向消涡梁组成的环形梳齿状组合消涡梁(12)结构。

2.如权利要求1所述的调整水流均匀性的系统，其特征在于：外侧竖井(10)和内侧竖井(20)为圆形薄壁结构，外侧竖井(10)位于内侧竖井(20)上部，环形溢流堰(13)布置在外侧竖井(10)底板上且在中部；内侧竖井(20)进口直径小于竖井下部内径。

3.如权利要求1或2所述的调整水流均匀性的系统，其特征在于：环形溢流堰(13)的截面为顶角削圆的三角形状，即上端窄下端宽；环形溢流堰(13)的堰口直径小于下部内侧竖井(20)的内径，环形溢流堰(13)底部直径与内侧竖井(20)进口直径相同。

4.如权利要求1-3中任一项所述的调整水流均匀性的系统，其特征在于：环形溢流堰(13)的堰口直径为下部内侧竖井(20)内径的0.5-0.6倍。

5.如权利要求1或2所述的调整水流均匀性的系统，其特征在于：外侧竖井(10)与环形溢流堰(13)围成环形尾水池(14)。

6.如权利要求5所述的调整水流均匀性的系统，其特征在于：环形尾水池(14)的外侧竖井(10)井壁周围分布多个电站尾水管(30)，尾水管(30)的出口处及相对方向的整流格栅(11)的分布间隙小于其他部位整流格栅(11)的分布间隙。

7.如权利要求1所述的调整水流均匀性的系统，其特征在于：所述整流结构包括多组上层整流墩(121)和下层整流墩(122)，上层整流墩(121)与下层整流墩(122)绕环形溢流堰(13)的内侧壁在环形溢流堰(13)顶附近上下两层交错开均匀分布，上下两层整流墩的高程差取值范围在0.8-1.5m之间。

8.如权利要求1所述的调整水流均匀性的系统，其特征在于：环形梳齿状组合消涡梁(12)包括布置在多组上整流墩(121)末端高度在取值范围在0.8-1.2m的消涡梁，均匀分布呈环形梳齿状。

9.如权利要求7所述的调整水流均匀性的系统，其特征在于：上层整流墩(121)与下层整流墩(122)末端设45度斜向上挑坎(123)。

10.如权利要求1、2或3所述的调整水流均匀性的系统，其特征在于：内侧竖井(20)的下端设有出水管(40)，出水管(40)的进水口为喇叭口(41)，喇叭口(41)向竖井中心伸入，该喇叭口的端部位于内侧竖井(20)管径的四分之一处。