倒V字形阶梯消能工制造技术

本发明专利技术所述倒“V”字形阶梯消能工，包括与进水口相接的直线段、与直线段相接的阶梯段和位于所述直线段和阶梯段两侧的挡水边墙，所述直线段的底坡坡度和阶梯段的底坡坡度相同，所述阶梯段由多级沿水流方向呈倒“V”字形的阶梯构成，各级倒“V”字形阶梯的长度和高度相等，“V”形角相等。此种倒“V”字形阶梯消能工能进一步削弱“水翅”现象，改善或避免边墙处和“V”形角处的空化空蚀问题，并降低施工难度。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术所述倒“V”字形阶梯消能工，包括与进水口相接的直线段、与直线段相接的阶梯段和位于所述直线段和阶梯段两侧的挡水边墙，所述直线段的底坡坡度和阶梯段的底坡坡度相同，所述阶梯段由多级沿水流方向呈倒“V”字形的阶梯构成，各级倒“V”字形阶梯的长度和高度相等，“V”形角相等。此种倒“V”字形阶梯消能工能进一步削弱“水翅”现象，改善或避免边墙处和“V”形角处的空化空蚀问题，并降低施工难度。【专利说明】倒V字形阶梯消能工
本专利技术属于水利水电工程中的内流泄洪消能设施，特别涉及一种用于溢洪道(洞)或坝面溢流的阶梯消能工。
技术介绍
田忠等在四川大学学报(工程科学版)公开了一种“V”形台阶溢洪道(见第42卷第2期，P21-25，2010年3月)，由均匀连续“V”形阶梯构成。经数值模拟以及物理模型验证，其能显著改善水流，提高消能率，但在实际应用中却存在以下不足:1、由于阶梯边界由原来的直线“一”字形变为带有尖锐凸角的折线“V”字形，因此在前几级阶梯上极易产生“水翅”现象。所谓“水翅”现象是指水流下泄形成的水舌由于速度较大，水流边壁形状突然改变，在第I级阶梯面上水舌冲击力大于水舌重力，受到阶梯面的反作用力，射流方向改变，水舌被抛射并越过数级阶梯的现象。2、“水翅”现象的发生会使水流翻越溢洪道边墙冲刷岸坡或相邻建筑物基础，从而影响建筑物的安全运行。3、若不设法减弱或消除“水翅”现象，势必增加溢洪道边墙设计高度，提高工程造价。4、由于水舌被抛射并越过数级阶梯，部分阶梯被空置，减少了有效消能阶梯数目，降低消能率。5、当水舌跃离数级阶梯经抛射直接作用于某级阶梯，会增加该级阶梯负荷，影响该级阶梯的稳定性。6、由于“V”字形阶梯的水流旋滚方向是从两侧边墙向中部旋滚，造成靠近边墙附近的水流脱空、“V”形凸角处水流挤压，导致这两处部位存在低压，因而易发生空蚀空化破坏。针对以上所述“水翅”问题，专利申请CN102704447A公开了一种“带有过渡段的“V”形阶梯消能工”，虽在一定程度上减弱了 “水翅”现象，但需要较多的过渡阶梯数目才可达到减弱的效果，而且由于过渡阶梯是从小到大逐渐变化，增大了施工难度。此外，由于该带过渡段的梯消能工是“V”形阶梯，因而在边墙附近和“V”形凸角处的空化空蚀问题仍然存在，同时“水翅”现象也有待进一步减弱，消能效率有待进一步提闻。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种倒“V”字形阶梯消能工，以进一步削弱“水翅”现象，改善或避免边墙处和“V”形角处的空化空蚀问题，并降低施工难度。本专利技术所述倒“V”字形阶梯消能工，包括与进水口相接的直线段、与直线段相接的阶梯段和位于所述直线段和阶梯段两侧的挡水边墙，所述直线段的底坡坡度和阶梯段的底坡坡度相同，所述阶梯段由多级沿水流方向呈倒“V”字形的阶梯构成，各级倒“V”字形阶梯的长度和高度相等，“V”形角相等。上述倒“V”字形阶梯消能工，所述阶梯段中，各级倒“V”字形阶梯的阶梯长度L=2.5?20m,阶梯高度h=0.35?4m。上述倒“V”字形阶梯消能工，所述阶梯段中，各级倒“V”字形阶梯的“V”形角α =30 ?150°。上述倒“V”字形阶梯消能工，所述直线段和阶梯段的底坡坡度Θ =8?53°。上述倒“V”字形阶梯消能工，所述直线段上设置有掺气坎。本专利技术具有以下有益效果:1、由于本专利技术所述倒“V”字形阶梯消能工的阶梯段由沿水流方向呈倒“V”字形的阶梯构成，在不降低糙率的同时优化了水流流态，由跃离“水翅”转变为贴壁水流，因而，避免了水流翻越溢洪道或消能工边墙冲刷岸坡及相邻建筑物基础，提高了阶梯消能工自身的稳定性和运行的安全性，且避免了水舌跃离数级阶梯，提高了消能率，与现有“V”字形阶梯消能工相比，水翅高度降低65%以上，消能率提高20%以上(见各实施例)，与现有带过渡段的“V”字形阶梯消能工相比，水翅高度降低30%以上，消能率提高12%以上(见各实施例)。2、由于本专利技术所述倒“V”字形阶梯消能工的阶梯段为倒“V”字形阶梯，而倒“V”字形阶梯上水流中承载消能作用的涡体单元可概括为三维螺旋流，水流旋滚方向从中部向两侧边墙旋滚，与现有“V”形阶梯消能工相比，靠近边墙处的阶梯竖直面压力增大1.4倍以上，“V”形角处的压力提高12%以上(见各实施例)，与现有带过渡段的“V”字形阶梯消能工相比，靠近边墙处的阶梯竖直面压力增大1.3倍以上，“V”形角处的压力提高11%以上(见各实施例)，因而有效改善或避免了 “V”形角和边墙处所存在的空化空蚀现象。3、本专利技术所述倒“V”字形阶梯消能工与带有过渡段的“V”字形阶梯消能工相比，结构更为简单，因而降低了施工难度，可节约施工成本，有利于推广应用。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术所述倒“V”字形阶梯消能工的第一种结构示意图；图2是图1的俯视图；图3是本专利技术所述倒“V”字形阶梯消能工的第二种结构示意图，直线段上设置有掺气坎；图4是图3的俯视图；图5是现有技术中的“V”字形阶梯(台阶)消能工(溢洪道)的水流流态示意图；图6是本专利技术所述倒“V”字形阶梯消能工整体水流流态示意图；图7是本专利技术所述倒“V”字形阶梯消能工中各级阶梯上的水流流态示意图。图中，I一直线段，2—阶梯段，3—掺气坎，4一挡水边墙，L一倒“V”字形阶梯的单级阶梯长度，h—倒“V”字阶梯的单级阶梯高度，α—倒“V”字形阶梯的“V”形角，Θ—直线段和阶梯段的底坡坡度，B一阶梯宽度。【具体实施方式】下面通过实施例对本专利技术所述倒“V”字形阶梯消能工作进一步说明。以下实施例中的倒“V”字形阶梯消能工是根据某水电站枢纽工程设计，所述水电站集水面积为4900km2，厂址控制集水面积为5540km2,电站溢洪道最大工作水头150m,最大下泄流量1230m3/s，阶梯宽度B=IOm,最大单宽流量123m3/s.m。实施例1本实施例中，倒“V”字形阶梯消能工的结构如图1、图2所示，包括与进水口相接的直线段1、与直线段相接的阶梯段和位于所述直线段I和阶梯段2两侧的挡水边墙4，直线段长度为17m，阶梯段长度为180m，所述直线段I的底坡坡度和阶梯段2的底坡坡度相同，底坡坡度θ=18.4°，所述阶梯段由20级沿水流方向呈倒“V”字形的阶梯构成，各级倒“V”字形阶梯的长度L=9m，高度h=3m，“V”形角α =120。，单宽流量75m3/s.m。试验测试结果:本实施例中水流流态基本为贴壁流，与现有技术中的同等体型“V”字形阶梯相比(下泄单宽流量为75m3/s.m)，“水翅”现象弱化非常明显，水翅高度降低约82.5% ;在“V”形角处，压力提高15%左右，靠近边墙处的阶梯竖直面压力值约增大1.8~2.3倍，低压区基本消失；消能率提高约20%。与现有技术中带有过渡段的同等体型“V”字形阶梯相比(下泄单宽流量为75m3/s.m), “水翅”现象弱化，水翅高度降低约35% ;在“V”形角处，压力提高13%左右，靠近边墙处的阶梯竖直面压力值约增大1.5~2倍，低压区基本消失；消能率提高约12%。 实施例2本实施例中，倒“V”字形阶梯消能工的结构如图3、图4所示，包括与进水口相接的直线段1、与直线段相接的阶梯段和位于所述直线段I和阶梯段2两侧的挡水边墙4，直线段上设置有掺气坎本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种倒“V”字形阶梯消能工，包括与进水口相接的直线段（1）、与直线段相接的阶梯段（2）和位于所述直线段和阶梯段两侧的挡水边墙（4），所述直线段（1）的底坡坡度和阶梯段（2）的底坡坡度相同，其特征在于所述阶梯段（2）由多级沿水流方向呈倒“V”字形的阶梯构成，各级倒“V”字形阶梯的长度和高度相等，“V”形角相等。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张建民，许唯临，刘善均，栗帅，王韦，曲景学，邓军，田忠，张法星，周茂林，彭勇，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
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