CN117646460A - 一种旋转消能冲刷防护方法及旋转叶轮消能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转消能冲刷防护方法及旋转叶轮消能装置，需要将旋转叶轮消能装置设于待防护结构附近，当待防护结构所受为单向流或为双向流但有一侧流速较强时，可将旋转叶轮消能装置布设于待防护结构物强流向的上游处，旋转叶轮消能装置与待防护结构的连线应与流向基本平行，以确保旋转消能产生的低速尾流区域作用在待防护结构物上；当待防护结构受强度相近的往复流向强流作用时，可在待防护结构两侧分别布置旋转叶轮消能装置，使待防护结构在任一流向时均能受到低速尾流区域作用并获得冲刷防护效果，本发明通过上游装置旋转消能产生的低速尾流区，直接降低作用于基础结构的来流流速，从根本上降低高速水流对基础结构的冲刷影响，达到冲刷防护的目的，且可兼顾发电应用，是一种新颖的绿色冲刷防护方式，在跨海长桥、海上风电等场景具备巨大的应用潜力。

Description

一种旋转消能冲刷防护方法及旋转叶轮消能装置

技术领域

本发明属于基础结构局部冲刷防护领域，具体为一种旋转消能冲刷防护方法及旋转叶轮消能装置。

背景技术

在流速较快水域如大流量河道、强潮海岸及近海区域建造的工程结构物如码头、桥梁、海上风电、海上平台等，其基础结构受到快速水流的作用，由冲刷引起的结构安全问题需要特别重视。基础结构的局部冲刷受水流形态、基础形式、床沙组成、床底形态等因素共同影响，其中，由水流造成的局部冲刷影响主要有以下三方面原因：（1）基础结构阻水导致周围部分区域流速增大，即水流遇到障碍物时由于过水断面减小而增大局部流速，床面泥沙冲刷而形成冲刷坑；（2）下冲水流掏蚀床面，主要为前进水流撞击基础结构后向下形成下冲水流，对床面产生强烈的掏蚀作用；（3）马蹄形漩涡冲刷，水流绕过结构基础等障碍物时，将沿基础周围形成一系列的涡旋脱落（马蹄涡、卡门涡街）。这种局部流态的改变，会增加水流对底床的剪切应力，从而导致水流挟沙能力的提高。如果床底是易受侵蚀的，那么在基础结构周边局部会形成冲刷坑，进而影响基础的稳定性。

冲刷防护通常采用对基础结构周边基底直接加固的方式，以抵抗水流的冲刷和淘蚀作用。常用的直接冲刷防护方法有抛石防护、石笼防护、仿生草防护等。但采用这一方式放置的抛石等防护材料易随时间逐渐消耗，最后丧失作用，需要定期观测防护效果并适时进行补设。另外也有采用措施改变水流流向，使其不直接冲刷基础结构的措施，主要为各类导流建筑物，以及改河工程等。该类措施如使用得当可以得到较好的冲刷防护效果，但工程代价及设计难度大，应用不当易出现较大的负面影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种旋转消能冲刷防护方法及旋转叶轮消能装置，该方法通过在基础结构上游设叶轮旋转装置，叶轮旋转装置中消耗水流动能，利用旋转消能产生的低速尾流区对基础结构进行掩护，通过降低来流流速的方式从根本上降低高速水流作用对基础结构的冲刷影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种旋转消能冲刷防护方法，需要将旋转叶轮消能装置设于待防护结构附近，当待防护结构所受为单向流或为双向流但有一侧流速较强时，可将旋转叶轮消能装置布设于待防护结构物强流向的上游处，旋转叶轮消能装置与待防护结构的连线应与流向基本平行，以确保旋转消能产生的低速尾流区域作用在待防护结构物上；当待防护结构受强度相近的往复流向强流作用时，可在待防护结构两侧分别布置旋转叶轮消能装置，使待防护结构在任一流向时均能受到低速尾流区域作用并获得冲刷防护效果。根据数值模拟及模型实验结果，当旋转消能叶轮与相似直径尺寸的待防护基础结构距离为5倍叶轮直径时，可使基础结构两侧流速降低约20%。

一种旋转叶轮消能装置，旋转叶轮消能装置由旋转叶轮和叶轮负载及支撑结构三部分组成。

作为优选，所述旋转叶轮垂直于来流方向的横向宽度为总体阻水宽度D，D不应小于基础结构的阻水宽度。旋转叶轮与基础结构的距离不大于8D且不小于2D，与河（海）床底的最短距离不大于0.3D。

作为优选，旋转叶轮消能装置采用多个小型旋转叶轮消能装置并联的方式扩大低速尾流区，其中装置布设间隙一般不大于0.2D。

当基础结构尺寸较大时，单一叶轮制造难度较大，旋转叶轮消能装置可采用多个小型叶轮并列的方式，此时D记为并列叶轮的总和阻水宽度。

当流向往复变化时，可在防护结构物两侧适当位置各布设一枚旋转叶轮，使不同流向时均有叶轮尾流可以作用于结构物，发挥冲刷防护作用。

作为优选，旋转叶轮可采用水平轴或竖轴或横轴形式，其中水平轴叶轮旋转轴与来流方向平行，竖轴叶轮旋转轴与来流方向及大地平面垂直；横轴叶轮旋转轴与来流方向垂直，与大地平面平行。

作为优选，旋转叶轮形式可以采用阻力型或者升力型，阻力型叶片低速启动性能好，在较低流速下即可发挥作用。升力型叶片获能效率高，当旋转叶轮兼具冲刷防护和发电两种用途时，采用升力型叶片的旋转叶轮可以获得更多的电能。

作为优选，所述旋转叶轮消能装置的支撑结构可采用桩柱式或重力式或漂浮式结构，并设置升降通道和维修平台。

作为优选，所述叶轮负载可采用发电装置，通过发电负荷控制叶轮旋转消能状态，并在冲刷防护的同时实现电能输出。

旋转叶轮可以采用无动力自由旋转、旋转发电、电驱旋转三种运动方式。当采用无动力自由旋转时，为保证后方较好的冲刷防护效果，可采用具有较大密实度的叶轮形式，以尽量提升尾流作用范围。当旋转叶轮在冲刷防护同时兼做发电时，可采用带载旋转性能较好的升力型叶片形式，并通过负载调整将叶轮旋转尖速比控制在最优获能尖速比附近，以兼顾尾流冲刷防护与旋转发电。对部分冲刷防护要求较为严苛或环境较为复杂的使用环境，可使用电力驱动旋转方式，在水流推动叶轮旋转基础上，通过电力驱动使叶轮更快转动，更进一步消耗来流能量，扩大后方尾流区范围，提升冲刷防护效果。

本发明的有益效果如下：利用旋转消能产生的低速尾流区对基础结构进行掩护，通过降低来流流速的方式从根本上降低高速水流作用对基础结构的冲刷影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对实施例或背景技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是旋转消能冲刷防护原理示意图；

图2是旋转消能冲刷防护装置布设示意图；

图3采用双机并联竖轴叶轮的旋转消能冲刷防护装置示意图；

图4采用双机并联水平轴叶轮的旋转消能冲刷防护装置示意图；

图5是采用重力式支撑结构的旋转消能冲刷防护装置示意图；

图6是采用漂浮式支撑结构的旋转消能冲刷防护装置示意图；

图7是往复强流作用下的旋转消能冲刷防护装置布置示意图。

图中：1、旋转叶轮消能装置，2、低速尾流区域，3、叶轮负载，4、桩柱式支撑结构，5、待防护结构，6、水上平台，7、升降维护机构，8、竖轴消能叶轮，9、水平轴消能叶轮，10、重力式支撑结构，11、漂浮式支撑结构，12、水平面，13、河（海）床底。

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。

实施例：

参见图1-7，本发明公开了一种旋转消能冲刷防护方法，用于河流及强潮近海建筑物基础结构的冲刷防护，需在待防护结构物5附近适当位置布设旋转叶轮装置1，通过旋转叶轮旋转消耗流体能量，在叶轮下游生成低流速的尾流区域2，并使低速尾流区2作用于基础结构，通过降低待防护结构5所受来流流速来发挥冲刷防护效果。

如图1所示，本发明提供的旋转消能冲刷防护原理示意图，其中箭头指向是来流方向，旋转叶轮消能装置中旋转叶轮在水流推动下旋转，消耗水流能量，并在其下游后方区域产生低流速的尾流区域2，低流速的尾流区域2作用于待防护结构5。

在本实施例中，本发明提供的旋转消能冲刷防护方法，需要将旋转叶轮消能装置1设于待防护结构5附近的适当位置上。当待防护结构5所受为单向流或为双向流但有一侧流速较强时，可将旋转叶轮消能装置1布设于待防护结构物5强流向的上游处，旋转叶轮消能装置1与待防护结构5的连线应与流向基本平行，以确保旋转消能产生的低速尾流区域2作用于待防护结构物。当待防护结构5受强度相近的往复流向强流作用时，可在结构物5两侧分别布置旋转叶轮消能装置1，使待防护结构物5在任一流向时均能受到低速尾流区域2作用并获得冲刷防护效果，如图7所示。

本发明提供的旋转消能冲刷防护方法，需要采用旋转叶轮消能装置1，旋转叶轮消能装置主要由旋转叶轮、叶轮负载3及相应的支撑结构构成。旋转叶轮可采用水平轴9、竖轴8或横轴形式，其中水平轴叶轮9旋转轴与来流方向平行；竖轴叶轮8旋转轴与来流方向及大地平面垂直；横轴叶轮旋转轴与来流方向垂直，与大地平面平行。竖轴及横轴叶轮沿流向投影截面为矩形，在相同直径及展长情况下可产生更大的低速尾流范围；水平轴叶轮在流向方向投影为圆形，低速尾流区域略小，但在兼顾发电时可获得更高的获能效率。旋转叶轮的叶片主要有阻力型和升力型两种形式。阻力型叶片通常可获得较大的水动力转矩，在较低流速下即可转动消能，转速较低。升力型叶片的水动力转矩相对偏低，初始启动流速通常高于阻力型叶片，但转速较快，当兼做发电时较有优势。

参见图2、图5、图6，支撑结构用于将旋转消能冲刷防护装置固定在所需位置上并保证装置工作稳定。可采用的支撑结构主要有桩柱式4、重力式10和漂浮式11等形式，如图2、图5、图6所示。桩柱式支撑结构4由打入地基的桩柱作为支撑结构的主体，可为旋转消能装置设置相应的升降维护机构7及水上平台6，在易产生局部冲刷的土体条件下具备较好的适应性。重力式支撑结构10由基础及压载物保持整体装置稳定，但对地质条件要求较高，在强冲刷区域往往需要地基加固处理。漂浮式支撑结构11布设较为灵活，通过锚泊或者系泊方式固定，可兼顾永久及临时性应用场景。漂浮式支撑结构11不适合于水深较深的情况，同时也必须考虑水面风浪对装置产生的影响。

实施例2：

参见图1-7，本发明公开了一种旋转叶轮消能装置，用于河流及强潮近海建筑物基础结构的冲刷防护，需在待防护结构物5附近适当位置布设旋转叶轮装置1，通过旋转叶轮旋转消耗流体能量，在叶轮下游生成低流速的尾流区域2，并使低速尾流区2作用于基础结构，通过降低待防护结构5所受来流流速来发挥冲刷防护效果。

旋转叶轮消能装置1垂直于来流方向的横向宽度为阻水宽度D，待防护基础结构5的阻水宽度为d，为保证冲刷防护效果，D应不小于d。当基础结构5尺寸较大时，单体大尺寸旋转消能装置制造及安装难度较大，可采用多台小尺寸旋转消能装置紧凑并联的方式，如图3、图4所示，此时D为多台旋转消能装置的总和阻水宽度。旋转消能装置并联安装时装置与装置或装置与支撑结构的间隙距离应进行专题论证，一般不应超过单台装置宽度的0.2倍，以免影响防护效果。

考虑低速尾流区的耗散情况并保证冲刷防护效果，所布设的旋转叶轮消能装置1与待防护基础结构5的距离不应大于8D，旋转叶轮消能装置1下缘距离河（海）床底的距离不宜大于0.3D。为了不对待防护结构物5结构安全产生影响，旋转叶轮消能装置1与结构5的距离应不小于2D。

叶轮负载3是指与叶轮转轴连接的阻尼部分，根据不同使用场景可采用无负载、机械负载及电磁负载等方式，以对叶轮旋转状态进行控制。在流速适中且采用高密实度阻力型叶片等应用场景中，可采用无负载叶轮自由旋转方式，即可获得较为理想的低速尾流区域。当流速较大时，叶轮旋转过快可能对旋转叶轮消能装置整体稳定性造成影响，此时可以接入机械负载对叶轮转速进行控制。当对消能控制要求较高或兼具旋转发电需求时，可将发电机与叶轮连接形成电磁负载，运行过程中藉由电磁负载将消能叶轮转速控制在最优获能尖速比附近，即可在获得较为理想冲刷防护效果的同时最大限度获得电力产出，增加装置收益，在跨海长桥及海上风电场景中具备较好的应用前景。当需要额外增加转速或低流速运转时，也可控制发电机向叶轮反向输出旋转动力。

本发明的有益效果如下：利用旋转消能产生的低速尾流区对基础结构进行掩护，通过降低来流流速的方式从根本上降低高速水流作用对基础结构的冲刷影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种旋转消能冲刷防护方法，其特征在于，需要将旋转叶轮消能装置设于待防护结构附近，当待防护结构所受为单向流或为双向流但有一侧流速较强时，可将旋转叶轮消能装置布设于待防护结构物强流向的上游处，旋转叶轮消能装置与待防护结构的连线应与流向基本平行，以确保旋转消能产生的低速尾流区域作用在待防护结构物上；当待防护结构受强度相近的往复流向强流作用时，可在待防护结构两侧分别布置旋转叶轮消能装置，使待防护结构在任一流向时均能受到低速尾流区域作用并获得冲刷防护效果。

2.根据权利要求1所述的一种旋转消能冲刷防护方法所采用的一种旋转叶轮消能装置，其特征在于，所述旋转叶轮消能装置由旋转叶轮和叶轮负载及支撑结构三部分组成。

3.根据权利要求2所述的旋转叶轮消能装置，其特征在于，所述叶轮垂直于来流方向的横向宽度为总体阻水宽度D，D不小于基础结构的阻水宽度，旋转叶轮与基础结构的距离不大于8D且不小于2D，与河（海）床底的最短距离不大于0.3D。

4.根据权利要求2所述的旋转叶轮消能装置，其特征在于，所述旋转叶轮消能装置采用多个小型旋转叶轮消能装置并联的方式扩大低速尾流区，其中装置布设间隙一般不大于0.2D。

5.根据权利要求2所述的旋转叶轮消能装置，其特征在于，所述旋转叶轮可采用竖轴或水平轴或横轴形式。

6.根据权利要求4或5所述的旋转叶轮消能装置，其特征在于，所述旋转叶轮的叶片可采用阻力型或升力型叶片。

7.根据权利要求2所述的旋转叶轮消能装置，其特征在于，所述旋转叶轮消能装置的支撑结构可采用桩柱式或重力式或漂浮式结构，并设置升降通道和维修平台。

8.根据权利要求2所述的旋转叶轮消能装置，其特征在于，所述叶轮负载可采用发电装置，通过发电负荷控制叶轮旋转消能状态，并在冲刷防护的同时实现电能输出。