阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及大坝泄洪消能技术领域，特别涉及一种阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施。
【背景技术】
[0002]随着水利水电工程建设的发展，以窄河谷、高水头和大流量等为特征的泄水建筑物高速水流问题尤为突出，消能防冲一直是水利工程设计中亟待解决的难题。为了消减库区下泄水流的巨大动能，实现库区和下游河道上下游水流的衔接，泄水建筑物需要采取有效的消能工。传统的消能方式有底流消能、挑流消能和面流(或戽流)消能等，这些消能方式在水利水电工程的建设和运行中发挥了巨大的作用。随着工程建设规模的发展，同时考虑到传统形式的消能工在工程运用中的特点和存在的局限性，如底流消能在下游需要有较长的护坦，土石方开挖和混凝土方量较大，工程造价较高；单一的挑流消能常常会产生强烈的雾化，影响工程安全和下游环境；面流(或戽流)消能在下游较长距离范围内引起河道水流的不平稳，影响电站运行和下游航运。
[0003]相对于传统泄洪消能方式，近年发展起来的阶梯(台阶)式消能工造价便宜、施工方便、易于检修，特别是随着碾压混凝土坝(RCC)技术的兴起，阶梯消能工得到了更广泛的应用。然而，阶梯消能工多适用于单宽流量较小(q<60m2/s)的状况。当单宽流量增加，阶梯面上的水深增加时，掺气发生点将大大地向下游移动，在阶梯起始段的一定范围内，导致消能效率减弱，并引发结构严重的空蚀破坏。因此，阶梯消能工仍有待进行体型优化，增加其对大流量的适用性，提高消能效率。
【实用新型内容】
[0004]发明目的:本实用新型所要解决的技术问题是提供一种阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，克服现有阶梯消能工的技术不足，使其在单宽流量较大的情况能够保持较高的消能效率，满足水利工程在消能和安全方面的需要。
[0005]技术方案:本实用新型解决其技术问题所采用的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，包括溢流堰、阶梯结构、螺旋叶轮结构和水垫塘。
[0006]所述溢流堰与大坝连接为一体，溢流堰由弧形段、直线段、反弧段组成，溢流堰的入水口与上游的水库相连通，溢流堰的出水口位于水垫塘上方，水垫塘与下游河道相接。
[0007]所述阶梯结构由若干的阶梯单元构成，阶梯结构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，每个阶梯曲面与溢流堰、相邻的阶梯竖面连接固定，每个阶梯竖面也与溢流堰连接固定。
[0008]所述螺旋叶轮结构由若干的双螺旋叶轮单元构成，每个双螺旋叶轮单元由旋转轴、叶轮、滚珠轴承和固定件组成，叶轮与旋转轴固定连接，旋转轴的两端嵌套在滚珠轴承的内圈，滚珠轴承的外圈通过固定件连接固定于底座，螺旋叶轮结构通过底座固定在溢流堰的反弧段起始端。
[0009]在本实用新型中，所述墩结构固定在所述的阶梯曲面上，墩结构为不规则柱体，墩结构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并且平行于阶梯竖面，墩结构的上底面为平面，下底面为与阶梯曲面曲率相同的曲面。所述墩结构在同一个阶梯曲面上按相同间距排列、在相邻的两个阶梯曲面上彼此交错布置。
[0010]在本实用新型中，所述双螺旋叶轮单元中的两根旋转轴处于同一个倾斜平面，旋转轴之间夹角为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。
[0011]作为优选，所述阶梯曲面为外缘上翘的凹形曲面，能够增大阶梯结构的摩阻系数，具有对水流挑射的附加功能，增加底部水流与表面水流之间碰撞和对冲的机率。
[0012]作为优选，所述叶轮螺旋缠绕固定于旋转轴，叶轮的叶片为涡轮叶片，能够增加叶轮的力矩，提高双螺旋叶轮单元的转速。
[0013]作为优选，所述固定件的上端为半圆环、下端为矩形。
[0014]有益效果:本实用新型的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，具有以下有益效果:
[0015](1)本实用新型中的阶梯曲面采用外缘上翘的凹形曲面，不仅能够增大阶梯结构的摩阻系数，而且能够增强溢流堰直线段底部水流的挑射功能，使得溢流堰直线段的底部水流与表面水流之间相互碰撞和对冲的机率大大增加。
[0016](2)本实用新型中的阶梯结构上布设着若干个墩结构，墩结构为不规则柱体，墩结构的侧面由一个矩形面和两个对称的曲面组成，墩结构的矩形面靠近相邻的阶梯竖面并且平行于阶梯竖面，矩形面增加了墩结构的拖曳阻力，增加了水流的局部损失，从而增强了阶梯结构的消能效果。墩结构的两个对称曲面使得水流在同一个墩结构尖端发生绕流对冲、在同一阶梯单元相邻的墩结构之间扩散，水流的紊动性增强，从而提高了阶梯结构的消能效果。墩结构在相邻的两个阶梯曲面上彼此交错布置，交错布置方式使得水流不断折弯，增加了水流的沿程损失，进一步增强了阶梯结构的消能效果。
[0017](3)本实用新型中的双螺旋叶轮单元在水流冲击叶轮时，形成两股螺旋反向旋转的水流，增加了周围水流旋转和对冲的过程，具有旋转消能的显著效果。同时，不同的双螺旋叶轮单元之间的水流受到旋转水流的剪切影响，能够发生一系列旋流、翻滚、喷射和飞溅，极大地提高了消能效率。
[0018](4)本实用新型中的螺旋叶轮结构由若干的双螺旋叶轮单元构成，螺旋叶轮结构通过底座固定在溢流堰的反弧段起始端。底座不仅具有固定螺旋叶轮结构的功能，而且具有保护溢流堰反弧段防冲刷的功能。螺旋叶轮结构布置在溢流堰的反弧段起始端，整体具有趾墩(消力池内的一种辅助消能工，建在消力池进口斜坡段坡脚的墩形辅助消能建筑物)的作用，能够实现螺旋反向旋转底坎式消能效果。
[0019](5)本实用新型中的水垫塘能够避免溢流堰反弧段的挑射水流直接落入河床冲刷坝址地基，水流在水垫塘中剧烈翻滚和飞溅，能够消耗掉高速水流经过阶梯式消能和螺旋反向旋转底坎式消能后的大部分余能。
[0020](6)本实用新型中的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施在传统溢流堰上设计了阶梯结构和螺旋叶轮结构，改善了溢流堰的消能方式，对提高泄洪消能效率、减轻坝下冲刷破坏程度等具有显著成效，具有更高的消能防冲效率和突出的工程实用价值。
【附图说明】
[0021]图1是本实用新型阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施的结构示意图；
[0022]图2是图1中的阶梯结构示意图；
[0023]图3是图2中的阶梯单元示意图；
[0024]图4是图1中的螺旋叶轮结构示意图；
[0025]图5是图4中的双螺旋叶轮单元示意图。
[0026]图中:1-水库；2-大坝；3-溢流堰；31-入水口 ；32_出水口 ；33_弧形段；34-直线段；35_反弧段；4_阶梯结构；40_阶梯单元；41_阶梯曲面；42_阶梯竖面；43_墩结构；5-螺旋叶轮结构；50_双螺旋叶轮单元；51_底座；52_旋转轴；53_叶轮；54_滚珠轴承；55-固定件；6_水垫塘；7_下游河道。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本实用新型作更