一种潜水起旋墩自调流竖井消能装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种潜水起旋墩自调流竖井消能装置。本实用新型专利技术包括：底部与水平泄洪洞连接的使洪水竖直下落的旋流竖井，旋流竖井的顶端连接喇叭形堰下的小口端，喇叭形堰上的大口端的外围绕旋流竖井中心轴线均匀布置多个起旋墩，起旋墩的水平截面是细长的多边形，多边形最长的边与喇叭形堰大口外圆周的切线成α≤１５°夹角连接，起旋墩从堰顶算起的高度≤堰顶最高水深的３／４。本实用新型专利技术使用小夹角连接的起旋墩，可以产生有效的起旋作用。用调整起旋墩高度的方式，巧妙的既能保证了最大设计流量，又能保证了旋流增压、免蚀和消能的要求，使竖井泄洪洞的设计大为简化，运行更加安全可靠。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种潜水起旋墩自调流竖井消能装置，是一种水工装置，是一种 用于泄洪洞入水口的水工设施。
技术介绍
传统喇叭形堰竖井泄洪洞，在二十世纪四、五十年代美国修建较多。这种泄洪洞通 常不设闸门，正常蓄水位即堰顶高程，自动泄洪，因此，适用于无人操作的非常泄洪洞，特别 是在人烟稀少的水工程采用这种泄洪洞最有利。当具有修建喇叭形堰的开阔地形时，它的 最大泄流能力可达3000m7s。传统的喇叭形堰竖井泄洪洞存在许多缺点如进水口易产生漩涡，影响泄流能力， 和出现不稳定涡带引起结构物振动，有时会出现反向气爆现象(如美国俄勒冈州阿威希坝 竖井泄洪洞)。在溢流堰同竖井连接段处易产生负压，特别是靠近竖井下部的负压能达到气 化压力，引起竖井空蚀。由于上述原因，使高水头大泄量竖井泄洪洞的应用受到了很大限 制。解决漩涡问题的传统方法是采用防漩墙或分流墩等措施。为了防止竖井空蚀，在 溢流堰下设突扩掺气坎，或将竖井下部修成收缩段提高井壁压力，或在竖井与隧洞转弯连 接段设收缩掺气坎(如俄国的洽尔瓦克泄洪洞)等。由于惨气保护长度有限，不能保证竖井 全长不发生空蚀。采取述上措施不仅使结构复杂也给施工带来很大的难度。为解决传统竖井空蚀的问题，曾提出在溢流堰的周围使用起旋墩的方式使水流在 进入竖井之前产生旋流，水流在竖井中以旋流的方式下落，利用离心力和自动掺气，消减负 压防止竖井发生空蚀，同时又能提高消能率。旋流在竖井中产生旋流空腔和环形水跃，以及 气水混合体垫层，可以产生强力的消能作用。但是原起旋墩的设计都是起旋墩的高度高于 最高洪水水位，这样就产生了起旋墩的个数和起旋墩与环形堰圆周之间的夹角的角度难以 确定问题。要获得满意的旋流效果，起旋墩与环形堰圆周之间的夹角的角度必须较小，起旋 墩的个数多一些效果好。但角度过小，起旋墩过多，虽然可以产生满意的旋转水流，但限制 了流量。增大角度或减少起旋墩的数量，虽然可以增大流量，但旋转水流的旋转量不够，不 能有效防止竖井的空蚀。在设计上，如何平衡旋流效果和流量之间的关系，即如何选择起旋 墩的个数以及摆放角度，成为一个难题。虽然可以通过某一条件下的精确设计达到要求， 然而泄洪洞的设计必须经得起五十年一遇、百年一遇和千年一遇等各种条件下的洪水量校 核。而各种条件都在临界状态下的设计无法符合大范围的参数变动，特别是流量的设计错 误，造成的后果都将是严重的。
技术实现思路
为解决现有技术的问题，本技术提出一种潜水起旋墩自调流竖井消能装置。 根据旋流增压和掺气消能的原理，在喇叭口外缘以小角度轴对称的布置若干个低短的起旋 墩，使溢流堰和旋流竖井在堰上各种水头下均能产生稳定的空腔旋转流运动，同时保证在给定的堰上水头下能满足最大泄流量的要求。本技术的目的是这样实现的一种潜水起旋墩自调流竖井消能装置，包括 底部与水平泄洪洞连接的使洪水竖直下落的旋流竖井，所述的旋流竖井的顶端连接喇叭形 堰下的小口端，所述的喇叭形堰上的大口端的外围绕旋流竖井中心轴线均勻布置多个起旋 墩，所述的起旋墩的水平截面是细长的多边形，所述的多边形最长的边与喇叭形堰顶大口 的圆周的切线成α <15°夹角连接，所述的起旋墩从喇叭形堰顶算起的高度<堰顶最高 水深的3/4。本技术产生的有益效果是本技术使用小夹角连接的起旋墩，可以产生 有效的起旋作用，使水流有效的旋转，而在高水位工况下小夹角的起旋墩不会影响泄洪流 量，而底层水流可以有效的拖曳上层水流旋转，同样可以产生有效的起旋作用。这样用降低 起旋墩的方式，巧妙的达到了即保证了最大设计流量，又保证了旋流消能的要求，本研究成 果使设计大为简化。虽然目前尚无精确的流量系数，但对各种设计流量，可以给出流量系数 的估值，通过试验改变起旋墩的高度便能给出期望的流量值。经过计算机模拟验证和一真 实工程1 :30的实体模型验证，本技术所述方法和装置适用于各种泄流量，最大泄量和 总水头可以达到2000m3/S，和200m，有广泛的应用前景，特别是在大型土石坝水库若修建潜 水起旋墩的旋流喇叭形堰竖井泄洪洞渲泄PMF (最大可能降雨量)洪水，就完全可以避免溃 坝的灾难。以下结合附图和实施例对本技术作进一步说明。附图说明图1是技术实施例一所述潜水起旋墩自调流竖井消能装置的结构示意图；图2是技术实施例三所述装置的四个起旋墩的示意图，是图1中A向视图；图3是技术实施例三所述装置的五个起旋墩的示意图；图4是技术实施例三所述装置的九个起旋墩的示意图；图5是技术实施例四所述装置的起旋墩水平剖面示意图。具体实施方式实施例一本实施例是一种潜水起旋墩自调流竖井消能装置，如图1所示。本实施例包括底 部与水平泄洪洞1连接的是洪水竖直下落的旋流竖井2，旋流竖井的顶端连接喇叭形堰下 的小口 3，喇叭形堰上的大口 5外围绕旋流竖井中轴线均勻布置多个起旋墩4。起旋墩的水 平截面是细长的多边形。细长的多边形的最长边(最窄的一端)与喇叭形堰顶的外圆周的切 线成<15°的夹角连接，如图2中α所示的角度。起旋墩在堰顶上的高度是堰顶最高水头 6的3/4 (根据流量大小可以调节)。本实施例所述的潜水起旋墩自调流竖井是一种喇叭形堰，是无闸门控制的，通过 改变起旋墩的高度调节堰口最大设计入流量。洪水可以从没有漫过起旋墩，在起旋墩之间 流入旋流竖井，也可以漫过起旋墩，从起旋墩之间和起旋墩上流入旋流竖井。水流在进入旋 流竖井时希望水流紧贴井壁，这样不会产生空蚀。如果水流竖直落下，特别容易在竖井周边 产生空蚀。为了防止竖井周边的空蚀，本实施例采用起旋墩使水流在进入竖井时发生旋转，这样可以在离心力的作用下消除负压，有效的防止竖井空蚀，并在竖井的中、下部产生环形 水跃和气水混合体垫层，增强消能作用。为了在竖井中产生稳定的旋转流运动，起旋墩必须 与喇叭形堰顶外圆的切线成小角度连接。起旋墩的数量越多和连接角度越小，水流的旋转 力度越大，易消除竖井负压，但泄流能力降低；反之墩子越少和夹角越大，旋转力度越小，但 泄流能力大。即在相同数量的起旋墩下，要想堰顶在小水深工况时也能产生较好的旋流效 果，其连接角必须小，但小角度不能满足最大设计流量的要求，就必须扩大喇叭形堰直径， 但这样做会增加工程投资。为了解决这个矛盾，本实施例采用一种既能在小水深时产生较 强的旋流，又能在高水位时通过最大设计流量的潜水起旋墩。潜水起旋墩的墩顶高程低于校核洪水位(最高洪水水位)，起旋墩与喇叭形堰顶外 圆的切线成α <15°角连接。α的角度可以在大于等于5度和小于等于15度之间进行 选择。潜水起旋墩的流动机理是当堰上水深较浅时水流沿着起旋墩进入旋流竖井，产生旋 转流运动，当堰上水深超过墩顶时，在惯性力的作用下水流自动调节入流角度，在低层旋转 流的拖曳下同步旋转，保持稳定的旋转角速度，使喇叭形堰和旋流竖井形成带有空腔的旋 转流运动，同时又能满足最大设计流量的要求。此种起旋墩结构简单、尺寸小，便于推广应 用。关于喇叭形堰顶布置的起旋墩的数量可以从4只到9只，根据水平洞底板上的作 用水头来选择墩的数量，当水头彡40m时，选用4 5只；水头在50m 70m时，选用6 7 只；水头彡80m时，选用8 9只，或根据实际情况选择墩的数量。实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
一种潜水起旋墩自调流竖井消能装置，包括底部与水平泄洪洞连接的使洪水竖直下落的旋流竖井，所述的旋流竖井的顶端连接喇叭形堰下的小口端，所述的喇叭形堰上的大口端的外围绕旋流竖井中心轴线均匀布置多个起旋墩，所述的起旋墩的水平截面是细长的多边形，其特征在于，所述的多边形最长的边与喇叭形堰顶大口的圆周的切线成α≤15°夹角连接，所述的起旋墩在堰顶上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：董兴林，杨开林，郭新蕾，郭永鑫，王涛，付辉，贾顺钟，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：实用新型
国别省市：11