034]实施例:
[0035]如图1-图5所示，本发明的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施结构，主体包括溢流堰3、阶梯结构4、螺旋叶轮结构5和水垫塘6，溢流堰3与大坝2连接为一体，水垫塘6与下游河道7相接。
[0036]如图1所示，溢流堰3由弧形段33、直线段34、反弧段35组成，溢流堰3的入水口31与上游的水库I相连通，溢流堰3的出水口 32位于水垫塘6上方。
[0037]如图1、图2和图3所示，阶梯结构4由八个阶梯单元40构成，阶梯结构4固定在溢流堰3的直线段34上，每个阶梯单元40由阶梯曲面41、阶梯竖面42和墩结构43组成，每个阶梯曲面41与溢流堰3、相邻的阶梯竖面42连接固定，每个阶梯竖面42也与溢流堰3连接固定，阶梯曲面41为外缘上翘的凹形曲面。墩结构43固定于阶梯曲面41上，墩结构43在同一个阶梯曲面41上按相同间距排列、在相邻的两个阶梯曲面41上彼此交错布置。墩结构43外形为不规则柱体，柱体的侧面为一个矩形面和两个对称的曲面，上底面为平面，下底面为与阶梯曲面41曲率相同的曲面。矩形面靠近阶梯竖面42并且平行于阶梯竖面42，矩形面增加墩结构43的拖曳阻力，增加水流的局部损失。两个对称曲面增强水流的紊动性，水流在同一个墩结构43尖端发生强烈绕流对冲、在同一阶梯单元相邻的墩结构43之间发生显著扩散。
[0038]如图1、图4和图5所示，螺旋叶轮结构5由三个双螺旋叶轮单元50构成，每个双螺旋叶轮单元50由旋转轴52、叶轮53、滚珠轴承54和固定件55组成，叶轮53螺旋缠绕固定连接于旋转轴52，叶轮53的叶片为涡轮叶片。旋转轴52的两端嵌套在滚珠轴承54的内圈，滚珠轴承54的外圈通过固定件55连接固定于底座51，固定件55的上端为半圆环、下端为矩形。螺旋叶轮结构5通过底座51固定在溢流堰3的反弧段35起始端。双螺旋叶轮单元50中的两根旋转轴52处于同一个倾斜平面，旋转轴52之间夹角为30° -40°，呈顶端不相连的“锐角”，角平分线的方向与水流方向相反。
[0039]在本实施例中，当水库I的库水位上涨超过溢流堰3的堰顶后，洪水急速漫过溢流堰3开始下泄；高速水流流过溢流堰3的直线段34时，受到阶梯结构4强烈摩阻，八个外缘上翘的阶梯曲面41将水流向外挑射，溢流堰3的直线段34底部水流与表面水流之间发生强烈地相互碰撞和对冲，同时受到三十六个墩结构43的阻碍和分流，水流经历一系列挑射、绕流、碰撞和飞溅的过程，实现阶梯式消能。
[0040]在本实施例中，高速水流流过溢流堰3反弧段35起始端时，急速冲向螺旋叶轮结构5，水流冲击叶轮53的叶片，驱动双螺旋叶轮单元50的两根旋转轴52反向旋转，转动的叶轮53带动周围水流旋转和对冲，同时水流受到螺旋叶轮结构5的阻挡，水流经历一系列对冲、旋流、翻滚、喷射和飞溅的过程，实现螺旋反向旋转底坎式消能。
[0041 ] 在本实施例中，水流流过溢流堰3的反弧段35末端时，在惯性作用下发生挑射，水流与空气混掺，而后落入水垫塘6中，在水垫塘6中形成紊动剧烈的翻滚水流，实现掺气消能和水垫塘消能。
[0042]在本实施例中，从水垫塘6流出的水流与下游河道7自然衔接。
[0043]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，包括溢流堰(3)、阶梯结构(4)、螺旋叶轮结构(5)和水垫塘(6)，其特征在于: 所述溢流堰(3)与大坝(2)连接为一体，溢流堰(3)由弧形段(33)、直线段(34)、反弧段(35)组成，溢流堰(3)的入水口(31)与上游的水库(I)相连通，溢流堰(3)的出水口(32)位于水垫塘(6)上方，水垫塘(6)与下游河道(7)相接； 所述阶梯结构(4)由若干的阶梯单元(40)构成，阶梯结构(4)固定在溢流堰(3)的直线段(34)上，每个阶梯单元(40)由阶梯曲面(41)、阶梯竖面(42)和墩结构(43)组成，每个阶梯曲面(41)与溢流堰(3)、相邻的阶梯竖面(42)连接固定，每个阶梯竖面(42)也与溢流堰⑶连接固定； 所述螺旋叶轮结构(5)由若干的双螺旋叶轮单元(50)构成，每个双螺旋叶轮单元(50)由旋转轴(52)、叶轮(53)、滚珠轴承(54)和固定件(55)组成，叶轮(53)与旋转轴(52)固定连接，旋转轴(52)的两端嵌套在滚珠轴承(54)的内圈，滚珠轴承(54)的外圈通过固定件(55)连接固定于底座(51)，螺旋叶轮结构(5)通过底座(51)固定在溢流堰(3)的反弧段(35)起始端。2.根据权利要求1所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，其特征在于:所述阶梯曲面(41)为外缘上翘的凹形曲面。3.根据权利要求1所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，其特征在于:所述墩结构(43)固定在所述的阶梯曲面(41)上，墩结构(43)为不规则柱体，墩结构(43)的侧面由一个矩形面和两个对称的曲面组成，矩形面靠近所述的阶梯竖面(42)并且平行于阶梯竖面(42)，墩结构(43)的上底面为平面，下底面为与阶梯曲面(41)曲率相同的曲面；所述墩结构(43)在同一个阶梯曲面(41)上按相同间距排列、在相邻的两个阶梯曲面(41)上彼此交错布置。4.根据权利要求1所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，其特征在于:所述双螺旋叶轮单元(50)中的两根旋转轴(52)处于同一个倾斜平面，旋转轴(52)之间夹角为30° -40°，呈顶端不相连的“锐角”，角平分线的方向与水流方向相反。5.根据权利要求1所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，其特征在于:所述叶轮(53)螺旋缠绕固定于旋转轴(52)，叶轮(53)的叶片为涡轮叶片。6.根据权利要求1所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，其特征在于:所述固定件(55)的上端为半圆环、下端为矩形。7.—种基于权利要求1-6所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施的消能方法，其特征在于包括以下步骤: ①当水库(I)的库水位上涨超过溢流堰(3)的堰顶后，洪水急速漫过溢流堰(3)开始下泄；高速水流流过溢流堰(3)的直线段(34)时，受到阶梯结构(4)强烈摩阻，若干个外缘上翘的阶梯曲面(41)将水流向外挑射，同时受到若干个墩结构(43)的阻碍和分流，使得水流经历一系列挑射、绕流、碰撞和飞溅的过程，从而实现阶梯式消能，消耗掉一部分能量； ②高速水流流过溢流堰(3)反弧段(35)起始端时，急速冲向螺旋叶轮结构(5)，水流冲击叶轮(53)的叶片，驱动双螺旋叶轮单元(50)的两根旋转轴(52)反向旋转，转动的叶轮(53)带动周围水流旋转和对冲，同时水流受到螺旋叶轮结构(5)的阻挡，使得水流经历一系列对冲、旋流、翻滚、喷射和飞溅的过程，从而实现螺旋反向旋转底坎式消能，消耗掉另一部分能量； ③水流流过溢流堰(3)的反弧段(35)末端时，在惯性作用下发生挑射，使得水流与空气混掺，而后落入水垫塘￠)中，在水垫塘￠)中形成紊动剧烈的翻滚水流，从而实现掺气消能和水垫塘消能； ④从水垫塘(6)流出的水流与下游河道(7)自然衔接，能够保证下游河道不被冲刷破坏； 按照上述消能步骤，即可提高溢流堰(3)的消能防冲效率。
【专利摘要】本发明公开了一种阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施及消能方法，涉及大坝泄洪消能技术领域。本阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施主体包括溢流堰、阶梯结构、螺旋叶轮结构和水垫塘。阶梯结构由若干阶梯单元构成，固定在溢流堰的直线段上，每个阶梯单元由阶梯曲面、阶梯竖面和墩结构组成；螺旋叶轮结构由若干双螺旋叶轮单元构成，每个双螺旋叶轮单元由叶轮、旋转轴、滚珠轴承和固定件组成，螺旋叶轮结构通过底座固定在溢流堰的反弧段上。本发明在溢流堰上装设阶梯结构和螺旋叶轮结构，改善了溢流堰的消能方式，具有更高的消能防冲效率和突出的工程实用价值，应用前景广泛。
【IPC分类】E02B8/06
【公开号】CN105133555
【申请号】CN201510629037
【发明人】戎贵文, 沈齐婷, 袁岳, 车文博, 查兴, 于艳荣, 孙洪波, 向英奇
【申请人】安徽理工大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月28日