一种挑流和射流联合消能试验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种挑流和射流联合消能试验装置，包括水循环系统、溢流系统和消能系统。水循环系统由水箱、回水通道、上水管、水泵连接而成，第三水箱的箱底由稳流孔板和稳流挡板组成，并通过扩展槽与上水管连通；溢流系统由坝顶弧面段、坝面段、圆弧段和挑流鼻坎组成，第三水箱矩形出水口与坝顶弧面段相衔接；消能系统由叶轮、变速器、发电机、挑流鼻坎和增压泵组成，叶轮的轴承固定在坝面侧壁，叶轮和发电机之间装设变速器，增压泵矩形出口喷射水流与挑流鼻坎挑射水流在空中碰撞消能。本实用新型挑流和射流联合消能试验装置，具有演示底坎消能、对冲消能、水垫塘消能等多重教学功能，能够为水利工程类实践教学提供综合实验平台。
【专利说明】一种挑流和射流联合消能试验装置
【技术领域】
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[0001]本实用新型涉及一种挑流和射流联合消能试验装置，属于大坝泄洪消能【技术领域】。
【背景技术】
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[0002]水利工程是解决社会经济发展中与水资源开发、利用、保护、优化、配置、节约相关的水问题，强调将工程技术转化为生产力，以保证当地经济社会的可持续发展。近年来，随着国家西部大开发和西电东送战略的实施，西部高山峡谷地区将兴建一批200?300m级的高坝。这些工程一般均有高水头、大流量的泄洪特点，增加了泄水建筑物布置的难度，存在泄洪功率过大与下游消能空间甚小的矛盾。在高水头水利水电枢纽工程中，高速水流泄洪消能问题是主要的水工水力学问题之一，目前基本上采取优化泄洪建筑物体形来提高消能效率。这种方法虽取得一定效果，但实践证明，未能有效解决实际存在的问题。
[0003]泄水建筑物宣泄的高速水流会对下游河床及岸坡造成冲刷破坏，对水工建筑物的安全构成严重威胁。为了确保水工建筑物的安全，需要采取相应的泄洪消能措施。泄水建筑物下游水流衔接与消能的形式一般有底流消能、挑流消能和面流消能。底流消能是在建筑物下游采取一定的人工措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面旋滚和强烈紊动以达到消能的目的。挑流消能是利用出流部分的挑流鼻坎和水流所挟带的巨大动能，将下泄的急流挑射至远离建筑物的下游，使射流对河床造成的冲刷坑不致影响建筑物的安全，下泄水流的余能一部分在空中消散，大部分则在水股跌入下游水垫后通过两侧形成水滚而消除。面流消能是当下游水位较高，而且比较稳定时，采取一定的工程措施，将下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床之间由巨大的底流旋滚隔开，可避免高速水流对河床的冲刷，余能主要通过水舌扩散、流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除。
[0004]在水利类专业人才培养过程中，加强泄洪消能等工程水力学问题的认识、实践教学环节是非常重要的。
实用新型内容:
[0005]本实用新型的目的:
[0006]提供一种挑流和射流联合消能试验装置，改进大坝泄洪消能的方式，实现水利工程类专业演示底坎消能、水舌对冲消能、水垫塘消能等多种教学目的。
[0007]技术方案:为解决上述技术问题，本实用新型的挑流和射流联合消能试验装置，包括水循环系统、溢流系统和消能系统，水循环系统用于形成试验需要的连续、稳定的循环水流，满足试验过程中的供水需求；溢流系统用于模拟水利枢纽中的溢流坝下泄水流；消能系统实现底坎消能、对冲消能和水垫塘消能多种教学演示功能；
[0008]水循环系统包括第一水箱、回水通道及回水通道进口和回水通道出口、上水管及上水管进口和上水管出口、第二水箱、水泵、支撑杆、第三水箱、扩展槽、稳流孔板、稳流挡板、A矩形出水口和水箱顶盖，第一水箱与回水通道的回水通道进口相连通，并与坝面侧壁和挑流鼻坎形成的出口相连通；回水通道进口位于坝面侧壁和挑流鼻坎形成的出口下方；回水通道为长方体，回水通道进口与第一水箱相连，回水通道出口与第二水箱下部相连通；上水管为圆形，上水管进口与第二水箱相连，上水管出口与第三水箱下部的扩展槽相连；扩展槽为水平横置的三棱柱体，且三棱柱体水平的侧面正好构成了第三水箱的底面，第三水箱的底面由稳流孔板和稳流挡板组成；第三水箱的矩形出水口与坝面侧壁和坝顶弧面段形成的入水口相连通；矩形出水口高度低于坝面侧壁的高度；支撑杆共四根，且竖直连接第二水箱和扩展槽，支撑着扩展槽及第三水箱；第一水箱和第三水箱顶部均为敞口式，第二水箱顶部设有水箱顶盖；水箱顶盖上固定着水泵，并设有连通上水管的圆孔；
[0009]溢流系统包括坝面侧壁、坝顶弧面段、坝面段、圆弧段和挑流鼻坎，坝面侧壁和坝顶弧面段与第三水箱的矩形出水口相衔接，水流从坝顶弧面段沿坝面段下泄形成面流；坝顶弧面段纵剖面采用WES剖面设计；坝面段底面为平面，与坝顶弧面段和圆弧段平滑连接；圆弧段平滑连接着坝面段和挑流鼻坎；挑流鼻坎和坝面侧壁与第一水箱相连通，并可以在高度调节器的调节作用下改变挑流角度。
[0010]消能系统包括叶轮、轴承、变速器、发电机、增压泵和高度调节器，叶轮的轴承固定在坝面侧壁；发电机与叶轮之间装设变速器；变速器与叶轮共轴；变速器与发电机、叶轮三者的轴心在同一直线上；增压泵的出水口为矩形出水口，下泄的水流冲击叶轮转动，通过变速器提高发电机的转数，矩形出水口向上喷射出的面状水流与溢流坝面挑射后下泄的面状水流在空中碰撞消能。
[0011]作为优选，第三水箱在进水处，采取水平横置的三棱柱体扩展槽、稳流孔板和稳流挡板，保持第三水箱的A矩形出水口水流平顺、光滑。
[0012]作为优选，发电机与叶轮之间装设有变速器，变速器与发电机、叶轮三者的轴心在同一直线上。
[0013]作为优选，增压泵的出水口为矩形出水口，增加喷射水流与溢流坝面挑射水流的碰撞面积。
[0014]作为优选，坝顶弧面段纵剖面采用美国陆军工程兵团水道试验站的WES标准剖面设计，堰面压强分布较理想，负压不大。
[0015]作为优选，挑流鼻坎的挑流角度通过高度调节器可以调节。
[0016]有益效果:本实用新型的挑流和射流联合消能试验装置，具有以下有益效果:
[0017](I)本实用新型中的叶轮可以实现底坎消能，在合适的位置上安装叶轮，高速水流从溢流坝顶流出并通过叶轮，冲击叶轮使叶片转动，水流直接冲击叶轮时消耗一部分能量；水流接触叶片后有一部分水流反射产生紊流，水流之间产生碰撞摩擦将动能转化为热能消耗一部分能量；水流通过叶轮后，由于离心力作用水流被向上抛起，落下来时和下面的水流发生碰撞进一步消能；
[0018](2)本实用新型中的发电机在叶轮和变速器带动下发电蓄电直接提供给下面的增压泵，实际中的大坝泄流水流不稳定，时大时小，如果直接和发电机相连，会对发电机有严重损坏，在两者之间加上变速器可以有效控制发电电压，保护发电机；
[0019](3)本实用新型中的第一水箱具有水垫塘的功能，保护第一水箱不会因为水流冲刷而损坏；
[0020](4)本实用新型中的增压泵安装位置灵活，试验时安置于水垫塘中，增压泵向上喷射的面状水流可以与挑流鼻坎挑射的面状水流对冲碰撞消能，在实际水利工程中，可以在严重冲刷位置安放增压泵，既可以减轻冲刷、安全护堤，也可以降低工程量、制造人工景观。
【专利附图】
【附图说明】
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[0021]图1是本实用新型的一个结构示意图；
[0022]图2是图1中的水循环系统示意图；
[0023]图3是图1中的溢流系统示意图；
[0024]图4是图1中的消能系统示意图；
[0025]图5是图1中的增压泵的结构图。
[0026]图中:1-水循环系统；10-第一水箱；11-回水通道；111-回水通道进口 ；112_回水通道出口 ；12_上水管；121-上水管进口 ；122_上水管出口 ；13_第二水箱；14_水泵；15-支撑杆；16_第三水箱；161-扩展槽；162_稳流孔板；163_稳流挡板；164_A矩形出水口 ；17_水箱顶盖；2_溢流系统；21_坝面侧壁；22_坝顶弧面段；23_坝面段；24_圆弧段；25_挑流鼻坎；3_消能系统；31_叶轮；32_轴承；33_变速器；34_发电机；35_传输线；36-增压泵；37_高度调节器；38-B矩形出水口。
【具体实施方式】
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[0027]如图1至图5所示，本实用新型挑流和射流联合消能试验装置包括水循环系统1、溢流系统2和消能系统3，水循环系统I用于形成试验需要的连续、稳定的循环水流，满足试验过程中的供水需求；溢流系统2用于模拟水利枢纽中的溢流坝下泄水流；消能系统3实现底坎消能、对冲消能和水垫塘消能多种教学演示功能。
[0028]其中，水循环系统I包括第一水箱10、回水通道11及回水通道进口 111和回水通道出口 112、上水管12及上水管进口 121和上水管出口 122、第二水箱13、水泵14、支撑杆15、第三水箱16、扩展槽161、稳流孔板162、稳流挡板163、A矩形出水口 164和水箱顶盖17，第一水箱10与回水通道11的回水通道进口 111相连通，并与坝面侧壁21和挑流鼻坎25形成的出口相连通；回水通道进口 111位于坝面侧壁21和挑流鼻坎25形成的出口下方；回水通道11为长方体，回水通道进口 111与第一水箱10相连，回水通道出口 112与第二水箱13下部相连通；上水管12为圆形，上水管进口 121与第二水箱13相连，上水管出口 122与第三水箱16下部的扩展槽161相连；扩展槽161为水平横置的三棱柱体，且三棱柱体水平的侧面正好构成了第三水箱16的底面，第三水箱16的底面由稳流孔板162和稳流挡板163组成；第三水箱16的A矩形出水口 164与坝面侧壁21和坝顶弧面段22形成的入水口相连通；A矩形出水口 164高度低于坝面侧壁21的高度；支撑杆15共四根，且竖直连接第二水箱13和扩展槽161，支撑着扩展槽161及第三水箱16 ;第一水箱10和第三水箱16顶部均为敞口式，第二水箱13顶部设有水箱顶盖17 ;水箱顶盖17上固定着水泵14，并设有连通上水管12的圆孔；
[0029]溢流系统2包括坝面侧壁21、坝顶弧面段22、坝面段23、圆弧段24和挑流鼻坎25，坝面侧壁21和坝顶弧面段22与第三水箱16的A矩形出水口 164相衔接，水流从坝顶弧面段22沿坝面段23下泄形成面流；坝顶弧面段22纵剖面采用WES剖面设计；坝面段23底面为平面，与坝顶弧面段22和圆弧段24平滑连接；圆弧段24平滑连接着坝面段23和挑流鼻坎25 ;挑流鼻坎25和坝面侧壁21与第一水箱10相连通，并可以在高度调节器37的调节作用下改变挑流角度。
[0030]消能系统3包括叶轮31、轴承32、变速器33、发电机34、增压泵36和高度调节器37，叶轮31的轴承32固定在坝面侧壁21 ;所述发电机34与叶轮31之间装设变速器33 ;所述变速器33与所述叶轮31共轴；所述变速器33与发电机34、叶轮31三者的轴心在同一直线上；所述增压泵36的出水口为B矩形出水口 38，下泄的水流冲击叶轮31转动，通过变速器33提高发电机34的转数，B矩形出水口 38向上喷射出的面状水流与溢流坝面挑射后下泄的面状水流在空中碰撞消能。
[0031]在本实施例中，水循环系统I中的第一水箱10的长X宽X高为1.2mX2.0mX 1.8m，第二水箱13的长X宽X高为0.8mXl.0mX0.4m，第三水箱16的长X宽X高为0.8mXl.3mXl.0m，第三水箱16的A矩形出水口 164的长X高为0.66mX0.15m,支撑杆15的高为4.0m，上水管12的管径为0.08m ;溢流系统2中的坝面侧壁21的高为
0.25m，坝顶弧面段22、坝面段23、圆弧段24和挑流鼻坎25宽为0.66m,叶轮31由长X宽为0.6mX0.105m的5片叶片组成，叶轮31的叶片最低点与坝面段23相距0.005m,叶轮31与变速器33共轴；变速器33与发电机34、叶轮31三者的轴心在同一直线上，圆弧段24的圆心角为53°，挑流鼻坎25的挑角为12°?30°，实现水流的转向与挑射面不对坝体产生过大冲击力。A矩形出水口 164底部与坝顶弧面段22吻合衔接，当第三水箱16中蓄水达到一定量后，第三水箱16中的水从坝顶弧面段22沿坝面段23下泄形成面流冲击叶轮31后，流经圆弧段24和挑流鼻坎25挑射到空中。利用坝顶弧面段22下泄的高速水流冲击叶轮31转动，带动变速器33旋转，加速发电机34旋转发电，为置于第一水箱10中的增压泵36供电。
[0032]在本实施例中，发电机34与叶轮31之间加装了 1: 27的变速器33，解决水流冲击叶片后，转速达不到发电需求的问题，发电机34最大转速达到1905r/min，输出功率60W，增压泵36的额定功率为45W，最大扬程为2m。试验过程中增压泵36在发电机34带动下向上喷射出面状水流与下泄挑射面状水流对冲，达到较好的消能演示效果。本装置可用于水力发电和大坝消能的综合教学模型演示，演示效果好，启发性强。
[0033]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种挑流和射流联合消能试验装置，主体包括水循环系统(I)、溢流系统(2)和消能系统(3)，其特征在于:所述水循环系统(I)用于形成试验需要的连续、稳定的循环水流，满足试验过程中的供水需求；所述溢流系统(2)用于模拟水利枢纽中的溢流坝下泄水流；所述消能系统(3)实现底坎消能、对冲消能和水垫塘消能多种教学演示功能； 所述水循环系统(I)包括第一水箱(10)、回水通道(11)及回水通道进口(111)和回水通道出口(112)、上水管(12)及上水管进口(121)和上水管出口(122)、第二水箱(13)、水泵(14)、支撑杆(15)、第三水箱(16)、扩展槽(161)、稳流孔板(162)、稳流挡板(163)、A矩形出水口(164)和水箱顶盖(17)，所述第一水箱(10)与所述回水通道(11)的回水通道进口(111)相连通，并与坝面侧壁(21)和挑流鼻坎(25)形成的出口相连通；所述回水通道进口(111)位于所述坝面侧壁(21)和挑流鼻坎(25)形成的出口下方；所述回水通道(11)为长方体，回水通道进口(111)与所述第一水箱(10)相连，回水通道出口(112)与所述第二水箱(13)下部相连通；所述上水管(12)为圆形，上水管进口(121)与所述第二水箱(13)相连，上水管出口(122)与所述第三水箱(16)下部的扩展槽(161)相连；所述第三水箱(16)的A矩形出水口(164)与坝面侧壁(21)和坝顶弧面段(22)形成的入水口相连通；所述A矩形出水口(164)高度低于所述坝面侧壁(21)的高度；所述支撑杆(15)共四根，且竖直连接第二水箱(13)和扩展槽(161)，支撑着扩展槽(161)及第三水箱(16);所述第一水箱(10)和第三水箱(16)顶部均为敞口式，所述第二水箱(13)顶部设有水箱顶盖(17)；所述水箱顶盖(17)上固定着所述水泵(14)，并设有连通上水管(12)的圆孔； 所述溢流系统(2)包括坝面侧壁(21)、坝顶弧面段(22)、坝面段(23)、圆弧段(24)和挑流鼻坎(25)，所述坝面侧壁(21)和坝顶弧面段(22)与第三水箱(16)的A矩形出水口(164)相衔接；所述坝顶弧面段(22)纵剖面采用WES剖面设计；所述坝面段(23)底面为平面，与所述坝顶弧面段(22)和圆弧段(24)平滑连接；所述圆弧段(24)平滑连接着坝面段(23)和挑流鼻坎(25)； 所述消能系统(3)包括叶轮(31)、轴承(32)、变速器(33)、发电机(34)、增压泵(36)和高度调节器(37)，所述叶轮(31)的轴承(32)固定在坝面侧壁(21);所述变速器(33)与所述叶轮(31)共轴；所述增压泵(36)放置在第一水箱(10)内，所述增压泵(36)的B矩形出水口(38)喷射水流与挑流鼻坎(25)挑射水流在空中碰撞消能。
2.根据权利要求1所述的挑流和射流联合消能试验装置，其特征在于:所述扩展槽(161)为水平横置的三棱柱体，且三棱柱体水平的侧面正好构成了所述第三水箱(16)的底面，所述第三水箱(16)的底面由稳流孔板(162)和稳流挡板(163)组成。
3.根据权利要求1所述的挑流和射流联合消能试验装置，其特征在于:所述挑流鼻坎(25)和坝面侧壁(21)与第一水箱(10)相连通，并可以在高度调节器(37)的调节作用下改变挑流角度。
4.根据权利要求1所述的挑流和射流联合消能试验装置，其特征在于:所述第三水箱(16)的A矩形出水口(164)底部与坝顶弧面段(22)衔接，水流从坝顶弧面段(22)沿坝面段(23)下泄形成面流。
5.根据权利要求1所述的挑流和射流联合消能试验装置，其特征在于:所述发电机(34)与叶轮(31)之间装设1: 27的变速器(33)，所述变速器(33)与发电机(34)、叶轮(31)三者的轴心在同一直线上；下泄的水流冲击叶轮(31)转动，通过变速器(33)提高发电机(34)的转数。
6.根据权利要求1所述的挑流和射流联合消能试验装置，其特征在于:所述增压泵(36)的出水口为B矩形出水口(38)，其向上喷射出的面状水流与溢流坝面挑射后下泄的面状水流在空中碰撞消能。
【文档编号】E02B1/02GK203947445SQ201420381881
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2013年7月11日
【发明者】戎贵文, 李琦, 丁杰, 吴福贤, 陈丽, 周军, 乔润利 申请人:安徽理工大学