CN116607483A - 一种自由液面吸气漩涡消除装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水力水电工程设施领域，其公开了一种自由液面吸气漩涡消除装置，包括漂浮于自由液面的浮力盖板4，浮力盖板4上设有高于液面的顶盖2；第二通孔21内设有主动组件和从动组件，主动组件包括中空的主动轴套10、固定于主动轴套10外壁且位于浮力盖板4下方的叶片7以及主动传动组件；从动组件包括从动转轴11、提涡螺旋轮12和从动传动组件；提涡螺旋轮12的螺旋形叶片与水流漩涡方向相反；叶片7带动提涡螺旋轮12旋转，抑制消除自由液面吸气漩涡的转动。本发明依靠自由液面漩涡靠近水面部分的强旋转流动提供动力消除或者减弱漩涡造成的消极影响，具有绿色环保，动力自给，结构简单，运行灵活，安全稳定且高效持久运行的特点。

Description

一种自由液面吸气漩涡消除装置

技术领域

本发明涉及水力水电工程设施技术领域，尤其涉及一种自由液面吸气漩涡消除装置。

背景技术

在泵站系统中，水库实现集水作用，将水资源通过泵站泵组输运至下一级设施，水轮发电机组将水资源的势能转换为机械能并最终转化为电能，通过并网输运至电力负荷中心，实现电力供给。

例如在抽水蓄能电站中，上水库和下水库均实现集水及积水作用，双向实现发电及输水目的，整个过程通过水泵水轮机机组实现相关目的。但在上述输水过程中，由于水面高度、流量、流速及水库物理外形等多种因素，均可导致自由液面吸气漩涡的发生，这类漩涡将空气裹挟并被吸入泵组或水轮机机组或水泵水轮机机组内部时，均可使得机组效率严重降低。已有研究揭示了这类漩涡对机组效率的降低有不可忽略的影响，若吸入机组的气量太多，甚至可能导致整个机组不能稳定运行。所以水电工程中不允许此类漩涡出现，但因上述多种因素，此类漩涡在工程实际中频繁发生。因此消除或者减弱此类漩涡对整个水库所在系统的安全高效运行具有重要意义。

现有公开号CN111119131A的中国专利，公开了一种可消除闸门前漩涡的新型平板闸门装置，在闸门迎水面竖向布置两个与闸门同高的紧贴闸门表面的曲线型隔栅，并且给出曲线型隔栅的曲线要求。

上述现有技术关于消除或抑制自由液面漩涡的装置为一大块固定平板，目的是通过平板与水面接触，利用平板表面粗糙度减缓水流旋转速度，抑制漩涡。但抑制漩涡效果不佳，且实际操作比较困难。

发明内容

为了克服以上技术问题，本发明提供一种水库自由液面吸气漩涡消除装置，将漩涡的流动转化为动力，破坏水库中涡流的形成，消除或减弱涡流对水库泵组机组的影响。

本发明提供了如下的技术方案：

一种自由液面吸气漩涡消除装置，包括漂浮于自由液面的浮力盖板(4)，所述浮力盖板(4)上设有高于液面的顶盖(2)；所述浮力盖板(4)中，开设有第一通孔(18)，所述第一通孔(18)内通过筋板连接有盖板(19)，所述盖板(19)内设有第二通孔，所述顶盖(2)内设有第三通孔；所述第二通孔内设有主动组件和从动组件，主动组件包括设于所述第二通孔内的垂直于所述浮力盖板(4)的中空的主动轴套(10)、固定于所述主动轴套(10)外壁且位于所述浮力盖板(4)下方的叶片(7)以及位于所述浮力盖板(4)上方的主动传动组件；从动组件包括上端穿于所述第三通孔并向下延伸穿过主动轴套(10)的从动转轴(11)、固定设于所述从动转轴(11)下方且位于所述叶片(7)下方的提涡螺旋轮(12)和位于所述从动转轴(11)上且所述浮力盖板(4)上方的从动传动组件；所述提涡螺旋轮(12)的螺旋形叶片与水流漩涡方向相反；所述叶片(7)的转动带动所述主动轴套(10)旋转，带动所述主动传动组件驱动所述从动传动组件，从动传动组件驱动所述从动转轴(11)旋转，所述从动转轴(11)带动所述提涡螺旋轮(12)旋转，抑制消除自由液面吸气漩涡的转动。

根据一些实施方式，所述主动传动组件包括固定于所述主动轴套(10)上部、位于所述第二通孔内的主动轴套锥形套环(16)，所述主动轴套锥形套环(16)与所述第二通孔之间通过主动推力轴承(17)转动连接；还包括固定于所述主动轴套(10)上端的主动锥形齿轮(9)；

所述从动传动组件包括所述从动转轴(11)上部自所述主动轴套(10)的上端伸出后，设有的与所述主动锥形齿轮(9)对应的从动锥形齿轮(8)，所述主动锥形齿轮(9)和从动锥形齿轮(8)之间通过传动锥形齿轮(3)的头端传动连接，所述传动锥形齿轮(3)的尾端水平朝外延伸出所述顶盖(2)的侧面；所述从动转轴(11)的上端固定设有从动轴套锥形套环(14)，所述从动轴套锥形套环(14)通过设于第三通孔中的从动推力轴承(15)与所述顶盖(2)固定。

根据一些实施方式，所述主动轴套(10)的下端和所述从动转轴(11)之间设有下轴承(13)。

根据一些实施方式，所述顶盖(2)上设有轴顶保护盖(1)，所述轴顶保护盖(1)将所述从动转轴(11)上端封闭。

根据一些实施方式，所述浮力盖板(4)四周向下设有护栏(5)。

根据一些实施方式，所述从动转轴(11)的尾端设有凸起的限位块(20)，所述提涡螺旋轮(12)卡设在限位块(20)上。

根据一些实施方式，所述叶片(7)外缘设有凸出的刃型凸起(6)。

根据一些实施方式，所述浮力盖板(4)为圆形。

根据一些实施方式，所述第一通孔(18)的孔心与所述浮力盖板(4)的圆心重合。

相比于现有技术，本发明提供的一种自由液面吸气漩涡消除装置，具备以下

有益效果：

第一方面，绿色环保，动力自给。漩涡消除装置的上半部分依靠自由液面漩涡靠近水面部分的强旋转流动提供动力，动力通过主转动轴套及叶片最终传递给提涡螺旋轮，最终实现被吸入液面以下的空气被方向输运至液面附近，从而破坏此类漩涡形成，并消除或者减弱此类漩涡造成的消极影响。同时，主动轴套和从动转轴两个旋转部件转向相反，其大部分扭矩相互抵消，可使其在水面以下旋转相对稳定，实现漩涡消除装置平稳持续运行的目的。

另一方面，通过护栏及刃型凸起防止漩涡卷携垃圾物及丝状缠绕物对转动部件的缠绕，实现漩涡消除装置持久高效运行的目的。

因此，本发明提供的自由液面漩涡消除装置动力自给，绿色环保，结构简单，运行灵活，安全稳定且高效持久运行，具有较为广阔应用的前景。

附图说明

图1为本发明提供的实施例一的整体示意图。

图2为本发明提供的实施例一的提涡螺旋轮局部示意图。

图3为本发明提供的实施例一的顶部的纵截面示意图。

图4为本发明提供的实施例一的顶部透视图。

附图中标号为：

1、轴顶保护盖；2、顶盖；3、传动锥形齿轮；4、浮力盖板；5、护栏；6、刃型凸起；7、叶片；8、从动锥形齿轮；9、主动锥形齿轮；10、主动轴套；11、从动转轴；12、提涡螺旋轮；13、下轴承；14、从动轴套锥形套环；15、从动推力轴承；16、主动轴套锥形套环；17、主动推力轴承；18、第一通孔；19、盖板；20、限位块。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

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”、“前”，“后”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，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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，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，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。

在抽水蓄能电站中，上水库和下水库均实现集水及积水作用，双向实现发电及输水目的，整个过程通过水泵水轮机机组实现相关目的。但在上述输水过程中，由于水面高度、流量、流速及水库物理外形等多种因素，均可导致自由液面吸气漩涡的发生。此类漩涡自物理角度分析，其强度在靠近自由液面时最强，因为水的粘性作用，导致此类漩涡沿着涡管发展方向强度逐渐减弱。

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

实施例一

构造说明：

如图1～3，本实施例中，漩涡消除装置包括一圆形的浮力盖板4。浮力盖板4为具有一定的面积的圆板，通过有效的面积，使得漩涡消除装置依靠水的浮力漂浮于水面上，其他部件均安装于浮力盖板4上。护栏5围绕浮力盖板4与水面接触侧的外圆周连接，形成一圈护栏装置，防止漩涡将水面上漂浮垃圾卷入漩涡消除装置内部。

浮力盖板4圆心开设第一通孔18，第一通孔18可让空气流通，使浮力盖板4下方的提涡螺旋轮12反向输运空气至浮力盖板4的中心处。浮力盖板4上、第一通孔18上方设有顶盖2，顶盖2上设有与第一通孔18上下对应的第三通孔，第一通孔18之中设有圆形的盖板19，通过穿过第一通孔18径向的4条筋板将盖板19与浮力盖板4相连。第一通孔18内穿设主动轴套10，通过与其螺纹连接的主动轴套锥形套环16和主动推力轴承17与浮力盖板4相连。主动轴套10顶端与主动锥形齿轮9通过螺纹连接。传动锥形齿轮3一端伸出顶盖2的侧面，另一端与从动锥形齿轮8和主动锥形齿轮9从动连接，并通过轴承固定连接于顶盖2上。

从动转轴11从主动轴套10中间穿过，在主动轴套10底部设置下轴承13，连接从动转轴11；提涡螺旋轮12固定于从动转轴11下部，从动转轴11底部固定连接有限位块20，防止提涡螺旋轮12脱落。与从动转轴11固定连接的从动锥形齿轮8插入顶盖2的第三通孔并通过螺纹连接(周向卡位通过键与键槽的配合实现)。从动转轴11插入从动推力轴承15内，并与从动轴套锥形套环14螺纹连接安装。从动推力轴承15通过顶盖2中心孔上的台阶固定于轴向定位。

刃型凸起6位于叶片7的朝外的边缘，用于割断垃圾、水草或其他漂浮障碍物。刃型凸起6具有防止向漩涡中心聚集的水流外流，使得旋转能量降低的作用。

提涡螺旋轮12的螺旋叶片的旋转方向与水流涡流方向相反，如图2，提涡螺旋轮12的螺旋叶片为顺时针旋转，水流漩涡旋转方向与之相反，为逆时针，并且从上至下，螺旋叶片半径逐渐减小，

四片倒梯形的叶片7固定设置在主动轴套10的外壁上，当遇到水流漩涡时，叶片7推动主动轴套10旋转，主动锥形齿轮9随着转动，通过传动锥形齿轮3的传动，带动从动锥形齿轮8和所述从动转轴11转动，进而带动水面下方的提涡螺旋轮12转动。

安装说明：

护栏5围绕浮力盖板4与水面接触侧的外圆周连接，形成一圈护栏装置，其他部件均安装于浮力盖板4上。浮力盖板4中心开孔为第一通孔18，与第一通孔18径向的4条筋板相连的圆形盖板19，其上开设用于安装主动推力轴承17的第二通孔，第二通孔的孔心也与浮力盖板4的圆心重合。主动推力轴承17设于第二通孔内，主动推力轴承17通过主动轴套10上的主动轴套锥形套环16与浮力盖板4相连，实现主动轴套10的转动与轴向定位，主动轴套锥形套环16与主动轴套10通过螺纹连接。在主动轴套10顶端再通过螺纹连接安装主动锥形齿轮9，也可通过上小下大的锥形配合及键连接主动锥形齿轮9和主动轴套10，另外在主动轴套10底部通过下轴承13的安装实现对从动转轴11旋转稳定性的支撑。随后将传动锥形齿轮3通过固定于顶盖2上的轴承连接，实现其旋转目的。

随后，通过下轴承13将未安装从动轴套锥形套环14及从动推力轴承15部件的提涡螺旋轮12及从动转轴11插入主动轴套10及顶盖2中心孔内。在插入顶盖2内时，通过螺纹安装方式安装从动锥形齿轮8(周向卡位通过键与键槽的配合实现)，随后再将从动转轴11插入从动推力轴承15内，最后通过螺纹连接安装从动轴套锥形套环14，实现从动转轴11及其上连接的部件的轴向定位。从动推力轴承15通过顶盖2中心孔上的台阶固定于轴向定位。此外在从动转轴11顶部与轴定保护盖1中心之间安装轴向弹簧，由于结构简单，图中并未标示，防止旋转部件由于脉动浮力作用在轴向向上跳动，消除此轴向力。

至此，漩涡消除装置安装完毕。

工作过程描述：

当水库水面上具有出现自由液面漩涡的趋势时，其周围水流会开始出现向漩涡中心开始旋转流动聚拢的趋势，此时由于浮力盖板4的作用，漂浮于水面上的自由液面吸气漩涡消除装置开始向漩涡中心移动，并且由于吸气漩涡是自水面开始，其转轴中心向半径两侧线速度逐渐降低，此速度会推动叶片7开始转动，此过程中，护栏5会排开水面上可能会有的垃圾，防止其涌入转轴附近，并进一步被冲入第一通孔18内。另一方面，在液面以下附近，若是丝带状垃圾被卷入，可通过刃型凸起6割断，防止缠绕发生。此外也可通过刃型凸起6的凸起部分防止向漩涡中心聚集的水流外流，使得旋转能量降低。在整个叶片7被上半部分吸气漩涡推动过程中，叶片7带动其连接的主动轴套10一起旋转，转动能量通过位于主动轴套10顶端的主动锥形齿轮9(其为环形锥形齿轮，方便从动转轴11从中穿过)传递给传动锥形齿轮3，此部件通过与传动锥形齿轮3的转轴尾部的轴承与顶盖2固定于一体。随后，传动锥形齿轮3再将主动转轴旋转能量传递给从动锥形齿轮8，进一步带动整个从动转轴11转动，从动转轴11转动带动提涡螺旋轮12转动，其转动方向与叶片7转动方向相反，这样的反向转动切断了自由液面吸气漩涡的发展，并且提涡螺旋轮12因为与漩涡旋转方向相反，提涡螺旋轮12的螺旋形叶片可将自由液面吸气漩涡裹挟的拟向液面以下输运的空气反向提升至自由液面附近，从根本上阻断空气被自由液面漩涡裹挟输运至下一级装置，如水泵、水轮机、水泵水轮机等装备内部，进而导致其效率降低甚至安全事故的发生。同时，由于此装置主(即主动轴套10)、被动(即从动转轴11)旋转部件旋转方向相反，其转矩互相抵消，使得漩涡消除装置运行稳定，不易侧翻，在液面上由于浮力盖板4的作用不易沉没，漩涡消除装置具有较高的稳定性、运行效率及安全性。

另一方面，由于其动力完全靠自由液面上的漩涡自给，其无需额外动力，可实现零损耗及零排放，绿色环保。

如图4，在顶盖2侧面上开设3个矩形孔，目的是使第一通孔18排出拟向液面以下输运的空气，即通过提涡螺旋轮12反向输运至自由液面附近的空气可通过这些矩形孔与大气相通，压力平衡。同时，穿过第一通孔18的径向4条筋板将盖板19与浮力盖板4相连，保证足够强度支撑漩涡消除装置的旋转系统运行。

本实施例中，还可根据需要加装定位系统，方便定位监测。另外，前期投放大致位置可通过水库流动的数值计算初步给出指导性意见，还可通过与从动转轴11最低端连接固定绳索，固定绳索连接圆球形轴承套，圆球形轴承套配合从动转轴11最低端圆球形轴承球实现对其转动的不干扰，将整个装置固定漂浮于易出现吸气漩涡流域附近。

另一方面，后期可安装的定位系统及绳索装置可实现整个装置的即时定位防沉没或者丢失。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自由液面吸气漩涡消除装置，包括漂浮于自由液面的浮力盖板(4)，其特征在于：所述浮力盖板(4)上设有高于液面的顶盖(2)；所述浮力盖板(4)中，开设有第一通孔(18)，所述第一通孔(18)内通过筋板连接有盖板(19)，所述盖板(19)内设有第二通孔；所述顶盖(2)内设有第三通孔；所述第二通孔内设有主动组件和从动组件，主动组件包括设于所述第二通孔内的垂直于所述浮力盖板(4)的中空的主动轴套(10)、固定于所述主动轴套(10)外壁且位于所述浮力盖板(4)下方的叶片(7)以及位于所述浮力盖板(4)上方的主动传动组件；从动组件包括上端穿于所述第三通孔并向下延伸穿过主动轴套(10)的从动转轴(11)、固定设于所述从动转轴(11)下方且位于所述叶片(7)下方的提涡螺旋轮(12)和位于所述从动转轴(11)上且所述浮力盖板(4)上方的从动传动组件；所述提涡螺旋轮(12)的螺旋形叶片与水流漩涡方向相反；所述叶片(7)的转动带动所述主动轴套(10)旋转，带动所述主动传动组件驱动所述从动传动组件，从动传动组件驱动所述从动转轴(11)旋转，所述从动转轴(11)带动所述提涡螺旋轮(12)旋转，抑制消除自由液面吸气漩涡的转动。

2.根据权利要求1所述自由液面吸气漩涡消除装置，其特征在于：所述主动传动组件包括固定于所述主动轴套(10)上部、位于所述第二通孔内的主动轴套锥形套环(16)，所述主动轴套锥形套环(16)与所述第二通孔之间通过主动推力轴承(17)转动连接；还包括固定于所述主动轴套(10)上端的主动锥形齿轮(9)；

所述从动传动组件包括所述从动转轴(11)上部自所述主动轴套(10)的上端伸出后，设有的与所述主动锥形齿轮(9)对应的从动锥形齿轮(8)，所述主动锥形齿轮(9)和从动锥形齿轮(8)之间通过传动锥形齿轮(3)的头端传动连接，所述传动锥形齿轮(3)的尾端水平朝外延伸出所述顶盖(2)的侧面；所述从动转轴(11)的上端固定设有从动轴套锥形套环(14)，所述从动轴套锥形套环(14)通过设于第三通孔中的从动推力轴承(15)与所述顶盖(2)固定。

3.根据权利要求2所述自由液面吸气漩涡消除装置，其特征在于：所述主动轴套(10)的下端和所述从动转轴(11)之间设有下轴承(13)。

4.根据权利要求2所述自由液面吸气漩涡消除装置，其特征在于：所述顶盖(2)上设有轴顶保护盖(1)，所述轴顶保护盖(1)将所述从动转轴(11)上端封闭。

5.根据权利要求1所述自由液面吸气漩涡消除装置，其特征在于：所述浮力盖板(4)四周向下设有护栏(5)。

6.根据权利要求1所述自由液面吸气漩涡消除装置，其特征在于：所述从动转轴(11)的尾端设有凸起的限位块(20)，所述提涡螺旋轮(12)卡设在限位块(20)上。

7.根据权利要求1所述自由液面吸气漩涡消除装置，其特征在于：所述叶片(7)外缘设有凸出的刃型凸起(6)。

8.根据权利要求1所述自由液面吸气漩涡消除装置，其特征在于：所述浮力盖板(4)为圆形。

9.根据权利要求8所述自由液面吸气漩涡消除装置，其特征在于：所述第一通孔(18)的孔心与所述浮力盖板(4)的圆心重合。