CN210658617U - 旋流消能跌水系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及市政排水技术领域，尤其涉及一种旋流消能跌水系统。该旋流消能跌水系统包括集水井、跌水井、旋流消能器、跌水管道以及空气开关，旋流消能器设置于跌水井内且位于跌水井底部，跌水管道的上端进口与集水井相连通，跌水管道的下端出口穿过跌水井的侧壁与旋流消能器相连通，空气开关包括空气输送管道，空气输送管道的进气口与集水井相连通，空气输送管道的出气口穿过跌水井的侧壁与跌水管道相连通。本实用新型提供的旋流消能跌水系统，不仅能够有效消除流体跌落过程中产生的动能，而且能够控制跌水流态的稳定性，消除跌水过程中产生的振动与噪声，显著提高了系统的运行安全与稳定性。

Description

旋流消能跌水系统

技术领域

本实用新型涉及市政排水技术领域，尤其涉及一种旋流消能跌水系统。

背景技术

近年来，伴随我国快速城市化而来的城市内涝、面源污染、地下水位下降等问题正变得越来越难以协调和控制。原有的规划理念及老旧的城市排水系统已无法满足快速增长的防洪排涝需求，城市排涝能力偏低，城市雨水径流污染问题突出，已成为困扰城市可持续发展的重要难题。

目前，为了加强对雨水径流污染和合流制溢流污染的控制，除兴建以合流制截污干管、初期雨水截污干管为核心的截污系统外，建立深层隧道排水的观念也开始逐步得到推广。由于深隧系统埋深较大，往往位于地下40-60m，必须通过跌水构筑物才能与原有市政排水管网进行衔接，因此跌水构筑物的设置成为了深隧排水系统设计的关键。

水流在跌水构筑物内跌落的过程中，其势能会转换为巨大的动能释放出来。然而现有的跌水构筑物，难以在水流进入主隧道前进行有效地消能处理，因此对深隧整体结构产生了巨大的损害。此外，在水流跌落过程中不可避免地会掺入大量的气体，这部分气体的流态会直接影响到跌水的流态，现有的跌水构筑物难以有效控制水流在跌落过程中的流态稳定性，从而引发了噪声、振动、气蚀和腐蚀等一系列问题。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种旋流消能跌水系统，解决现有跌水构筑物难以有效消除流体跌落过程中的动能，以及难以有效控制跌水过程中的流态稳定性的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种旋流消能跌水系统，包括集水井、跌水井、旋流消能器、跌水管道以及空气开关，所述旋流消能器设置于所述跌水井内且位于所述跌水井底部；所述跌水管道的上端进口与所述集水井相连通，所述跌水管道的下端出口穿过所述跌水井的侧壁与所述旋流消能器相连通；所述空气开关包括空气输送管道，所述空气输送管道的进气口与所述集水井相连通，所述空气输送管道的出气口穿过所述跌水井的侧壁与所述跌水管道相连通。

进一步地，所述跌水管道包括水平设置的进水管道、联通弯头以及竖直设置的输水管道，所述进水管道的第一端与所述集水井相连，所述进水管道的第二端与所述联通弯头的第一端相连，所述联通弯头的第二端与所述输水管道的上端相连，所述输水管道的下端与所述旋流消能器相连。

进一步地，所述空气输送管道包括竖直设置的进气管部、水平设置的输气管部和竖直设置的出气管部，所述进气管部的上端与所述输气管部的第一端相连，所述输气管部的第二端与所述出气管部的上端相连，所述出气管部的下端与所述联通弯头相连；所述进气管部设置于所述集水井内部，所述进气管部的下端位于所述进水管道上方；所述出气管部的轴线与所述输水管道的轴线重合。

具体地，所述进气口设置于所述进气管部的下端，所述进气口的端面与水平面之间呈30～50°夹角。

具体地，所述进水管道的管底与所述集水井的底板上表面平齐。

进一步地，所述旋流消能器包括支座以及安装在所述支座上的双向旋流消能工，所述支座与所述跌水井的底板相连，所述双向旋流消能工与所述输水管道相连。

进一步地，还包括上大下小的渐缩管道，所述渐缩管道的上端与所述输水管道的下端相连；所述双向旋流消能工包括水平设置的消能管，所述消能管的侧壁设有连接口，所述消能管的两端分别设有出水口；所述渐缩管道的下端与所述连接口相连，且所述渐缩管道与所述消能管呈切线相交。

进一步地，还包括设置在所述跌水井内部的挡水堰，所述挡水堰与所述跌水井的底板相连，所述挡水堰将所述跌水井的底部分隔为消能池和出水池；所述旋流消能器设置于所述消能池内部，所述出水口的中心高度小于或等于所述挡水堰高度的1/3。

具体地，所述挡水堰的底部设有放空口，所述放空口的一端与所述消能池相连通，所述放空口的另一端与所述出水池相连通；所述跌水井的侧壁底部设有出水管道，所述出水管道与所述出水池相连通。

具体地，还包括设置在所述空气开关上方的溢流管道，所述溢流管道的第一端与所述集水井相连通，所述溢流管道的第二端与所述跌水井相连通。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：

本实用新型提供的旋流消能跌水系统，集水井中的流体通过跌水管道进入到跌水井中，在低流量进水条件时，通过空气开关能够保证跌水管道的进气顺畅，始终保持流体在跌水管道内贴壁旋流的跌水流态，并通过旋流消能器有效消除跌水管道中流体跌落产生的动能。当进水流量增大时，空气开关被淹没，系统过渡到满管流状态，然后通过旋流消能器对出流量进行限制，从而控制进水水位和流速不出现剧烈变化，控制跌水过程中的流态稳定性，避免了相应的噪声与振动问题，显著提高了系统的运行安全与稳定性。

附图说明

图1是本实用新型实施例旋流消能跌水系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例旋流消能跌水系统的集水井、跌水井以及跌水管道的装配示意图；

图3是本实用新型实施例旋流消能跌水系统的空气开关与跌水管道的装配示意图；

图4是本实用新型实施例旋流消能跌水系统的旋流消能器的安装示意图；

图5是本实用新型实施例旋流消能跌水系统的渐缩管道与消能管的装配示意图。

图中：1：集水井；2：跌水井；3：旋流消能器；301：支座；302：双向旋流消能工；3021：连接口；3022：出水口；4：跌水管道；401：进水管道；4011：喇叭口；402：联通弯头；403：输水管道；4031：锥形管；4032：第一过渡管段；4033：第二过渡管段；5：空气开关；501：进气管部；502：输气管部；503：出气管部；504：进气口；6：三角支架；7：渐缩管道；8：挡水堰；801：放空口；9：消能池；10：出水池；11：出水管道；12：溢流管道。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-5所示，本实用新型实施例提供一种旋流消能跌水系统，包括集水井1、跌水井2、旋流消能器3、跌水管道4以及空气开关5。

旋流消能器3设置于跌水井2内，并且旋流消能器3安装于跌水井2底部。跌水管道4的上端进口与集水井1相连通，跌水管道4的下端出口穿过跌水井2的侧壁201与旋流消能器3相连通。也即，集水井1中的流体能够通过跌水管道4进入到跌水井2，在此过程中，能够通过旋流消能器3对跌水管道4中跌落的流体进行消能处理。

空气开关5包括空气输送管道，空气输送管道的进气口504与集水井1相连通，空气输送管道的出气口穿过跌水井2的侧壁201与跌水管道4相连通。空气开关5能够根据集水井1内的液位变化进行自动开关控制，实现向跌水管道4内补气的功能，防止跌水管道4内出现气囊及空蚀。

其中，空气输送管道的进气口504位置高于跌水管道4的上端进口位置。

在进水流量较低时，集水井1中的液位较低，此时空气输送管道的进气口504处于液面之上，空气开关5保持进气状态，以维持跌水管道4内部的气芯。流体进入跌水管道4后能够以贴壁旋流的形式向下跌落，流体跌落至底部的旋流消能器3，并通过旋流消能器3消能后流入至跌水井2内部，实现跌水过程中绝大部分动能的削减。

随着进水流量的增加，集水井1中的液面淹没跌水管道4的上端进口，并且空气输送管道的进气口504处于液面之上，此时空气开关5依然保持进气状态，并通过空气开关5维持跌水管道4的气芯稳定，从而实现对跌水管道4内旋流跌水状态的稳定控制。

随着进水流量的继续增加，集水井1中的液位逐渐升高，当空气输送管道的进气口504被集水井1中的液面淹没时，空气开关5停止进气，跌水管道4处于满流排放模式，此时，通过旋流消能器3能够对跌水管道4跌落流体的出流量进行限制，从而控制进水水位和流速不出现剧烈变化，控制跌水过程中的流态稳定性。

本实用新型实施例所述的旋流消能跌水系统，不仅能够有效消除流体跌落过程中产生的动能，而且能够控制跌水流态的稳定性，消除跌水过程中产生的振动与噪声，显著提高了系统的运行安全与稳定性。

进一步来说，跌水管道4包括水平设置的进水管道401、联通弯头402以及竖直设置的输水管道403。其中，进水管道401的第一端与集水井1相连，进水管道401的第二端与联通弯头402的第一端相连，联通弯头402的第二端与输水管道403的上端相连，输水管道403的下端与旋流消能器3相连。跌水管道4的这种结构形式，有利于将集水井1中的流体通过跌水管道4进行排放，确保流体排放顺畅。

具体来说，输水管道403通过三角支架6与跌水井2内壁相连，从而实现对输水管道403与跌水井2之间的安装固定。

具体来说，输水管道403包括相互连接的上部管道和下部管道。

在一种实施例中，当输水管道403的高度小于或等于10m时，上部管道和下部管道可以均采用直筒管，并且上部管道的内径与下部管道的内径相等，上部管道的内径与进水管道401的内径相等，从而使流体在跌水管道4中以相对稳定的流速排放。

在另一种实施例中，如图3所示，当输水管道403的高度大于10m时，上部管道可以采用锥形管4031，锥形管4031的直径从上到下逐渐减小。其中，锥形管4031的上端通过第一过渡管段4032与联通弯头402相连，锥形管4031的下端通过第二过渡管段4033与下部管道相连。将上部管道设置为锥形管4031，能够有效提高锥形管4031内部流体的流速，增加流体与锥形管4031内壁摩擦过程中消耗的能量，提高消能效率。

进一步来说，空气输送管道包括竖直设置的进气管部501、水平设置的输气管部502和竖直设置的出气管部503。其中，进气管部501的上端与输气管部502的第一端相连，输气管部502的第二端与出气管部503的上端相连，出气管部503的下端与联通弯头402相连。

其中，进气管部501设置于集水井1内部，从而通过集水井1内的液位高低来控制空气开关5的进气状态，进而实现向跌水管道4内的补气控制。

其中，出气管部503的轴线与输水管道403的轴线重合，从而实现对输水管道403内旋流跌水状态的稳定控制。

具体来说，进气口504设置于进气管部501的下端，进气口504的端面与水平面之间呈30～50°夹角。也即，将进气口504设置为与水平面呈一定夹角的斜面，能够使集水井1内的液面处于进气口504端面的高度范围时，减小集水井1内液面的变化幅度，避免进水流量的增加造成的进水水位的剧烈变化，稳定调节水位过渡阶段，消除跌水管道4内出现的有害振动。

具体来说，进水管道401的管底与集水井1的底板101上表面平齐，确保在低水位状态下，集水井1内的水流能够通过跌水管道4排放。

进一步来说，旋流消能器3包括支座301以及安装在支座301上的双向旋流消能工302，支座301与跌水井2的底板202相连，双向旋流消能工302与输水管道403相连。

具体来说，双向旋流消能工302包括水平设置的消能管，消能管的侧壁设有连接口3021，连接口3021位于消能管的中部，消能管的两端分别设有出水口3022。其中，连接口3021用于与输水管道403进行连接，从而使输水管道403与消能管之间呈倒置的T形。连接口3021呈不规则形状，连接口3021的高度等于消能管的半径。从输水管道403跌落的流体从连接口3021进入消能管，并从消能管的两个出水口3022排出，使得流体的竖向流速得到显著削减。

具体来说，还包括上大下小的渐缩管道7，渐缩管道7的上端与输水管道403的下端相连。渐缩管道7的下端与连接口3021相连，且渐缩管道7与消能管呈切线相交。通过设置渐缩管道7，能够提高渐缩管道7内流体的流速。通过渐缩管道7与消能管之间的切线相交方式，能够使跌落的流体呈切向自渐缩管道7进入消能管，并从消能管两端出口呈旋流态流出，实现对跌落流体动能的有效削减。

进一步来说，还包括设置在跌水井2内部的挡水堰8，挡水堰8的底部与跌水井2的底板202相连，挡水堰8的两侧分别与跌水井2的内壁相连，挡水堰8将跌水井2的底部分隔为消能池9和出水池10。

其中，旋流消能器3设置于消能池9内部，也即，流体从旋流消能器3以水平旋流态进入到消能池9内，提高了消能池9内的紊流效率，进一步削减流体动能。

具体来说，旋流消能器3的出水口3022的中心高度小于或等于挡水堰8高度的1/3，从而使得排水状态下，旋流消能器3能够处于液面之下，保证旋流消能器3能够达到最佳的跌水消能效果。

具体来说，跌水井2的侧壁201底部设有出水管道11，出水管道11与出水池10相连通。当消能池9内的液面高于挡水堰8时，消能池9内的流体流入出水池10，然后通过出水管道11排出跌水井2。

具体来说，挡水堰8的底部设有放空口801，放空口801的一端与消能池9相连通，放空口801的另一端与出水池10相连通。当系统停止工作时，消能池9内的流体能够通过放空口801及时排空，防止消能池9内部积水。

进一步来说，还包括设置在空气开关5上方的溢流管道12，溢流管道12的第一端与集水井1相连通，溢流管道12的第二端与跌水井2相连通。当集水井1的进水水位过高时，仅通过跌水管道4难以在短时间内将集水井1的液体排出，则可以通过溢流管道12直接排放至跌水井2中，进而保证系统的安全运行。

具体来说，为了使集水井1内的流体进入跌水管道4的过程更加顺畅，避免在进水管道401处出现气囊，在进水管道401的入口处设置喇叭口4011，该喇叭口4011的最小内径与进水管道401的内径相等。

具体来说，跌水管道4的内壁、渐缩管道7的内壁以及消能管的内壁均设有抗磨损涂层，以避免流体对管道内壁的磨损，延长管道使用寿命。

本实用新型实施例所述的旋流消能跌水系统的工作原理如下：

当进水流量较低时，流体进入集水井1后，液位达到L1。此时，流体依次经过进水管道401、联通弯头402后，以贴壁旋流的形式在输水管道403内跌落。此时，空气开关5保持进气状态，位于集水井1内的进气口504会持续补气，维持输水管道403内部的气芯稳定。流体沿输水管道403跌落至底部后，通过渐缩管道7进入到与该渐缩管道7切线相交的旋流消能器3，使得流体沿切向方向进入双向旋流消能工302，并在双向旋流消能工302内部形成旋流，该旋流以出水口3022的中心为圆心，以旋流流态排放至消能池9，在此过程中，流体的竖向流速得到显著削减。从旋流消能器3流出的流体在消能池9内通过建立紊流并相互剪切的方式，进一步实现对跌水过程中动能的削减。也即，跌水管道4内的流体经过旋流消能器3排至消能池9的整个过程，能够实现跌水过程中绝大部分动能的削减。当消能池9内的水位高出挡水堰8的顶部时，消能池9内的流体越过挡水堰8，以堰流的形式跌落至出水池10，并最终通过出水管道11排出至跌水井2外部。通过本系统的结构形式，能够使堰流的水平流速不大于2m/s，从而实现对下游构筑物的有效保护。

随着进水流量的增加，集水井1内的液位升高至L1与L2之间，并淹没进水管道401的进水口时，进气口504处于非淹没状态，空气开关5依然保持进气状态，从而维持跌水管到043内部的气芯稳定，避免在跌水管道4内产生气囊，从而避免引起跌水管道4内部流体流速的瞬时剧变，有效抑制了该工况条件下可能产生的振动。

如果进水流量继续增加，集水井1内的液位将继续升高至L2，此时，空气开关5的进气口504逐渐被淹没，跌水管道4会过渡到满流排放模式。在此阶段，跌水管道4内过流能力达到极值，会导致集水井1内液位出现下降，由于空气开关5的进气口504处设有30～50°的斜面，从而能够在液面逐渐淹没进气口504的过程中，减小集水井1内液面的变化幅度，防止跌水管道4出现振动，避免了进水流量的增加造成的上游水位剧烈变化，平稳地调节液面由未淹没进气口504至淹没进气口504的过渡阶段，并消除有害的振动。

当进水流量继续上升，集水井1内的液位升高至L3，此时集水井1内的流体会通过溢流管道12、空气开关5和跌水管道4共同排放至跌水井2中。

本实用新型实施例所述的旋流消能跌水系统，安装方便，不需要复杂的混凝土工程和引水渠，降低了安装时间和成本，可用于市政管道、建筑外墙及城市深隧排水系统中的跌水构筑物内，通过在组合工艺系统内建立旋流的方式，控制跌水过程中的流态稳定性，减小跌水过程中产生的振动，并将流体跌落过程中的动能有效耗散于系统内。保护跌水构筑物的安全、稳定运行。

综上所述，本实用新型实施例所述的旋流消能跌水系统，不仅能够有效消除流体跌落过程中产生的动能，而且能够控制跌水流态的稳定性，消除跌水过程中产生的振动与噪声，显著提高了系统的运行安全与稳定性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，或一体地连接；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。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实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是一个或多个；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种旋流消能跌水系统，其特征在于：包括集水井、跌水井、旋流消能器、跌水管道以及空气开关，所述旋流消能器设置于所述跌水井内且位于所述跌水井底部；所述跌水管道的上端进口与所述集水井相连通，所述跌水管道的下端出口穿过所述跌水井的侧壁与所述旋流消能器相连通；所述空气开关包括空气输送管道，所述空气输送管道的进气口与所述集水井相连通，所述空气输送管道的出气口穿过所述跌水井的侧壁与所述跌水管道相连通。

2.根据权利要求1所述的旋流消能跌水系统，其特征在于：所述跌水管道包括水平设置的进水管道、联通弯头以及竖直设置的输水管道，所述进水管道的第一端与所述集水井相连，所述进水管道的第二端与所述联通弯头的第一端相连，所述联通弯头的第二端与所述输水管道的上端相连，所述输水管道的下端与所述旋流消能器相连。

3.根据权利要求2所述的旋流消能跌水系统，其特征在于：所述空气输送管道包括竖直设置的进气管部、水平设置的输气管部和竖直设置的出气管部，所述进气管部的上端与所述输气管部的第一端相连，所述输气管部的第二端与所述出气管部的上端相连，所述出气管部的下端与所述联通弯头相连；所述进气管部设置于所述集水井内部，所述进气管部的下端位于所述进水管道上方；所述出气管部的轴线与所述输水管道的轴线重合。

4.根据权利要求3所述的旋流消能跌水系统，其特征在于：所述进气口设置于所述进气管部的下端，所述进气口的端面与水平面之间呈30～50°夹角。

5.根据权利要求2所述的旋流消能跌水系统，其特征在于：所述进水管道的管底与所述集水井的底板上表面平齐。

6.根据权利要求2所述的旋流消能跌水系统，其特征在于：所述旋流消能器包括支座以及安装在所述支座上的双向旋流消能工，所述支座与所述跌水井的底板相连，所述双向旋流消能工与所述输水管道相连。

7.根据权利要求6所述的旋流消能跌水系统，其特征在于：还包括上大下小的渐缩管道，所述渐缩管道的上端与所述输水管道的下端相连；所述双向旋流消能工包括水平设置的消能管，所述消能管的侧壁设有连接口，所述消能管的两端分别设有出水口；所述渐缩管道的下端与所述连接口相连，且所述渐缩管道与所述消能管呈切线相交。

8.根据权利要求7所述的旋流消能跌水系统，其特征在于：还包括设置在所述跌水井内部的挡水堰，所述挡水堰与所述跌水井的底板相连，所述挡水堰将所述跌水井的底部分隔为消能池和出水池；所述旋流消能器设置于所述消能池内部，所述出水口的中心高度小于或等于所述挡水堰高度的1/3。

9.根据权利要求8所述的旋流消能跌水系统，其特征在于：所述挡水堰的底部设有放空口，所述放空口的一端与所述消能池相连通，所述放空口的另一端与所述出水池相连通；所述跌水井的侧壁底部设有出水管道，所述出水管道与所述出水池相连通。

10.根据权利要求1所述的旋流消能跌水系统，其特征在于：还包括设置在所述空气开关上方的溢流管道，所述溢流管道的第一端与所述集水井相连通，所述溢流管道的第二端与所述跌水井相连通。

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