一种适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞的制作方法

一种适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞的制作方法
【专利摘要】本发明公开了适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，包括上平段、涡室段、收缩段、竖井段和下平段，在竖井段水流速度为30～35m/s的位置设置消能水垫装置，所述消能水垫装置由收缩段、突扩环板和直筒段构成，突扩环板的内环缘与收缩段下端联接，外环缘与直筒段上端联接，在直筒段与突扩环板联接形成的水流盲空区处设置用于将盲空区与外界大气连通的通气孔，以使空气掺入水流，所述收缩段下端内径为能使水流流经收缩段环向收缩至实体水流，以在收缩段形成水垫。本发明的旋流竖井泄洪洞适用于高水头水电工程，可大大提高消能效率，能有效避免竖井空蚀空化破坏，同时能减轻底部水垫消能压力，避免底板破坏。
【专利说明】一种适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞
【技术领域】
[0001]本发明属于水利工程中的消能防蚀【技术领域】，涉及旋流竖井泄洪洞，具体涉及一种适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞。
【背景技术】
[0002]旋流竖井泄洪洞作为一种较为新型的消能工程设施，已在水头相对较低的水利水电工程中运用，特别是由于其转弯的灵活性，越来越多地受到欢迎，近年来有逐渐向高水头水利水电工程推广应用的趋势。但在高水头水电站中应用竖井旋流泄洪洞时，由于沿竖井壁面损失的能量远小于高差所带来的能量，竖井段内的水流流速会越来越大，竖井下段的水流速度很高，这将带来两个方面的问题，其一是竖井下段的流速达到甚至超过了 40m/s，竖井壁面的水流空化数非常小，很容易发生空化空蚀破坏；二是大量的能量集中在竖井底部水垫中来消耗，对底部的冲击压力很大，容易造成底板破坏。

【发明内容】

[0003]针对现有旋流竖井在高水头水利工程中应用存在的问题，本发明的目的旨在提供一种适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，以控制竖井内水流速度，避免空蚀空化破坏，提高消能效率，同时减轻底部水垫消能压力，避免底板破坏。
[0004]本发明提供的适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，包括上平段、涡室段、收缩段、竖井段和下平段，所述竖井段在水流速度为30?35m/s的位置设置消能水垫装置，所述消能水垫装置由收缩段、突扩环板和直筒段接头构成，突扩环板的内环缘与收缩段下端联接，外环缘与直筒段接头上端联接，在直筒段接头上端与突扩环板联接形成的水流盲空区处设置用于将盲空区与外界大气连通的通气孔，以使空气掺入水流，所述收缩段下端内径为能使水流流经收缩段环向收缩至全部空间为实体水流，以在收缩段形成水垫。
[0005]上述适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，为使收缩段内更好的形成水垫，可将收缩段的收缩坡度设为(1:3)?(1:0.5)。
[0006]上述适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，所述使水流流经收缩段环向收缩至全部空间为实体水流的收缩段下端内径R可通过下泄流量和需要控制的流速确定，公式为:
[0007]r=M
[0008]式中，Q为流量，V为需要控制的流速，Ji为圆周率。
[0009]上述适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，所述通气孔最好设置在突扩环板上，个数最好不少于2个，且均匀分布。当然通气孔也可设置在直筒段接头接近突扩环板的位置。
[0010]对于高水头的竖井段，水流通过前一级的消能水垫装置出流后，流速会沿程再次增大，按照本发明，又在水流速度增大至壁面可能发生空化空蚀破坏的地方再次增设一级消能水垫装置。本发明是通过在整个竖井段设置两个或两个以上的消能水垫装置，以解决高水头旋流竖井泄洪洞中存在的竖井空蚀空化破坏，消能效率低，底部水垫消能压力大，底板容易破坏的问题。
[0011]本发明提供的适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，与现有技术的旋流竖井泄洪洞运用于高水头泄洪相比，具有以下十分突出的优点和技术效果:
[0012]1、本发明在可能发生空化空蚀破坏的竖井避面处设置消能水垫装置，消能水垫装置在其收缩段将水流环向收缩至使水流下泄时收缩段末端中心空腔消失，从而在收缩段形成密实的水体，即形成消能水垫，从涡室下来的高速水流进入此水垫后，在旋转和剪切的多重作用下，将能量大量消耗，并且将水流的主流方向由竖直向下改变为水平旋转，当旋转的水流从底部流出扩散后再次接触竖井壁面时，流速已经由于能量的消耗而减小，同时由于水流盲空区(掺气空腔)的存在和通气孔的设置，因此在水流不大于30?35m/s范围内的竖井壁面不会发生空化空蚀破坏，又由于在整个竖井段水流速度为30?35m/s的位置均设置了消能水垫装置，使得整个竖井段的水流速度都得以控制，从而避免整个竖井段的空蚀空化破坏，同时大大提高消能率，能保证在高水头水电站中安全应用。
[0013]2、本发明所述多级水垫旋流竖井由于设有多级水垫，水流在进入最下面一级水垫，即原竖井底部的消能水垫前，已经在竖井段的多级无底板水垫中消除了绝大部分能量，进入底部水垫时的流速与原来相比大大减小，因而对竖井底部的冲击作用大大减小，减轻了底部水垫的消能压力，并能避免底部水垫底板的破坏，保证泄洪洞运行安全，在高水头水电站中也能安全应用。
[0014]3、本发明中的消能水垫装置是一种无底板消能水垫装置，其结构非常简单，施工难度低，造价低，因此本发明提供的适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，具有很好的推广应用前景。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1为现有技术的旋流竖井泄洪洞的结构示意图。
[0016]图2为本发明所述多级水垫旋流竖井泄洪洞的结构示意图。
[0017]图3为图2中的消能水垫装置(A)放大剖面结构示意图。
[0018]在上述附图中各图示标号标识的对象分别为:1 一上平段；2 —涡室段；3—收缩段；4一竖井段；5—下平段；6—通气孔；7—水流盲空区；8—水垫；9一突扩环板；10—直筒段接头。
【具体实施方式】
[0019]下面结合【专利附图】

【附图说明】给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明作进一步的说明，以便于更加容易地理解本发明。但需要特别指出的是，本发明的【具体实施方式】不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的【具体实施方式】，因此不应将下面给出的【具体实施方式】的实施例理解为本发明的保护范围，将本发明的保护范围限制在所给出的实施例。
[0020]实施例1
[0021]本实施例中所述高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞用于水头高度120米的水电工程，其结构如图2、3所示，包括上平段1、涡室段2、收缩段3、竖井段4和下平段5，在竖井段4水流速度为30m/s的位置设置消能水垫装置。所述消能水垫装置由收缩段3、突扩环板9和直筒段接头10构成，收缩段的收缩坡度为1:3，突扩环板的内环缘与收缩段下端联接，外环缘与直筒段接头上端联接，在突扩环板上均匀设置有2个用于将盲空区与外界大气连
通的通气孔6，以使空气掺入水流，所述收缩段下端内径
【权利要求】
1.一种适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，包括上平段(1)、涡室段(2)、收缩段(3)、竖井段(4)和下平段(5)，其特征在于，在竖井段(4)水流速度为30~35m/s的位置设置消能水垫装置，所述消能水垫装置由收缩段(3)、突扩环板(9)和直筒段(10)接头构成，突扩环板的内环缘与收缩段下端联接，外环缘与直筒段接头上端联接，在直筒段接头与突扩环板联接形成的水流盲空区(7)处设置有用于将盲空区与外界大气连通的通气孔(6)，以使空气掺入水流，所述收缩段下端内径为能使水流流经收缩段环向收缩至全部空间为实体水流，以在收缩段形成水垫(8)。
2.根据权利要求1所述的适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，其特征在于，收缩段的收缩坡度为(1:3)~(1:0.5)。
3.根据权利要求1或2所述的适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，其特征在于，所述使水流流经收缩段环向收缩至全部空间为实体水流的收缩段下端内径R为:
4.根据权利要求1或2所述的适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，其特征在于，所述通气孔设置在突扩环板上。
5.根据权利要求3所述的适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，其特征在于，所述通气孔设置在突扩环板上。
6.根据权利要求5所述的适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞，其特征在于，所述通气孔不少于2个，均匀设置在突扩环板上。
【文档编号】E02B8/06GK103758093SQ201310752266
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】邓军, 田忠, 张法星, 许唯临, 刘善均, 王韦, 张建民, 曲景学, 周茂林, 刘 文 申请人:四川大学