專利名稱：一種旋流跌水豎井的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利水電工程泄水建筑物中的旋流豎井防空化空蝕技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種旋流跌水豎井。
背景技術(shù)：
如圖I所示的旋流豎井泄洪洞作為一種較為新型的消能工，近年來(lái)在水頭相對(duì)較低(50 100m)的水利水電工程中得到了較好運(yùn)用，特別是其轉(zhuǎn)彎的靈活性，更是受到水利水電工程技術(shù)人員青睞，現(xiàn)已有逐漸向高水頭(100 300m)水利水電工程推廣應(yīng)用的趨勢(shì)。但在高水頭水電站中應(yīng)用豎井旋流泄洪洞時(shí)，由于沿豎井壁面損失的能量遠(yuǎn)小于高差所帶來(lái)的能量，因此豎井的下段的流速會(huì)越來(lái)越大。經(jīng)本發(fā)明人模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，有些工程中豎井下段的流速達(dá)到甚至超過(guò)了 40m/s，此時(shí)豎井壁面的水流空化數(shù)非常小，很容易發(fā)生空化空蝕破壞。為了解決這一問(wèn)題，CNlO 1294377公開(kāi)了一種設(shè)置有摻氣坎的旋流豎井，該旋流豎井雖然在豎井段中下部壁面設(shè)置摻氣挑坎，并使射流水股下緣在行進(jìn)過(guò)程中，最終擴(kuò)散摻氣形成摻氣水流，但由于壁面的摩擦阻力影響，豎井下段的水流受到離心力的作用已經(jīng)不明顯，“旋流”的水平分速度已經(jīng)比較小，而垂向分速度較為巨大，特別是在1000 1200m3/ s以上的大流量的情況下，水層的厚度又相對(duì)較厚，致使旋轉(zhuǎn)水流的摻氣作用不能完全發(fā)展到整個(gè)豎井的壁面，而出現(xiàn)摻氣不足的問(wèn)題，加上諸多因素，如施工的平整度，材料的強(qiáng)度不理想等的共同作用下，該段仍然比較容易發(fā)生空化空蝕破壞，從而給旋流豎井的運(yùn)行帶來(lái)安全問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種旋流跌水豎井，該旋流豎井既能適用于在較高水頭情況下的應(yīng)用，又能實(shí)現(xiàn)在大流量下豎井壁面不致于出現(xiàn)空化空蝕破壞。本發(fā)明提供的一種旋流跌水豎井，其特征在于該旋流跌水豎井是在豎井下段流速較高、水流空化數(shù)較小位置對(duì)應(yīng)的高程上方壁面設(shè)置一環(huán)向突擴(kuò)，并使環(huán)向突擴(kuò)以下豎井內(nèi)壁的直徑逐漸擴(kuò)大形成梯形剖面，在環(huán)向突擴(kuò)上或水面以上的梯形剖面的井壁上設(shè)置有至少一個(gè)通氣孔，每個(gè)通氣孔中都插接有與大氣相通的通氣管。上述的旋流跌水豎井中環(huán)向突擴(kuò)以下豎井井壁的每一高度處均與發(fā)生橫向擴(kuò)散的水體邊緣保持至少2m的距離。對(duì)于豎井下段的高流速區(qū)的確定，可采用能量方程通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算或者通過(guò)試驗(yàn)找到高流速區(qū)，這些都是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常識(shí)。本發(fā)明推薦環(huán)向突擴(kuò)設(shè)置在水流速度大于30m/s的地方。由于本發(fā)明在豎井壁面流速較高、水流空化數(shù)較小、將會(huì)出現(xiàn)空化空蝕破壞的位置對(duì)應(yīng)的高程以上設(shè)置了一環(huán)向突擴(kuò)，因而使高速水流從環(huán)向突擴(kuò)點(diǎn)起就脫離豎井壁面向下跌落，但是由于此時(shí)的水流仍然存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使水流脫離豎井壁面后的下落過(guò)程中仍會(huì)發(fā)生橫向擴(kuò)散。為了使得高速運(yùn)動(dòng)的水流不再接觸豎井壁面，本發(fā)明將環(huán)向突擴(kuò)以下的豎井內(nèi)壁的直徑逐漸擴(kuò)大形成梯形剖面，優(yōu)選環(huán)向突擴(kuò)以下豎井跌水區(qū)井壁在每一高度處均與發(fā)生橫向擴(kuò)散的水體邊緣保持至少2m的距離，并通過(guò)環(huán)向突擴(kuò)上或水面以上的梯形剖面的井壁上均布的與大氣相通的通氣孔，使空氣進(jìn)入豎井，以保證水體與井壁之間為空氣。因而實(shí)現(xiàn)了水體自環(huán)向突擴(kuò)點(diǎn)以下至進(jìn)入水墊這一區(qū)域?yàn)樽杂傻鳎辉倥c壁面接觸， 從而可徹底避免旋流豎井壁面的空化空蝕問(wèn)題，并且在豎井的底部形成自由跌水的水墊消能區(qū)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，除了具有以上優(yōu)勢(shì)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)I.由于本發(fā)明高速水流經(jīng)豎井環(huán)向突擴(kuò)點(diǎn)跌水進(jìn)入水墊消能時(shí)將卷入大量空氣， 并且隨著水流的流動(dòng)，部分空氣將隨水流進(jìn)入下平段，為了保證運(yùn)行時(shí)空氣區(qū)域的穩(wěn)定，必需有補(bǔ)氣通道，除了跌水水流與豎井壁面之間區(qū)域的空氣由環(huán)向突擴(kuò)上或水面以上的梯形剖面的井壁上均布的與大氣相通的通氣孔提供外，跌水水流中心區(qū)域的空氣，可通過(guò)豎井中心的渦腔和渦室頂部與大氣相通提供，2.由于水流進(jìn)入本發(fā)明豎井下部的消能區(qū)時(shí)，水流的內(nèi)側(cè)與外側(cè)均為消能區(qū)的消能水體，即水流的兩側(cè)均受到剪切消能作用(剪切消能被公認(rèn)為是消能區(qū)的主要消能因素)，因而其剪切消能效果明顯好于一般的旋流豎井(水流貼著壁面運(yùn)動(dòng)進(jìn)入豎井下部的消能區(qū)，只有水流內(nèi)側(cè)與消能水體發(fā)生剪切消能作用)的消能效果。


圖I為一般旋流豎井泄洪洞的立面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的通氣孔設(shè)置在環(huán)向突擴(kuò)上的旋流跌水豎井的立面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的通氣孔設(shè)置在水面以上的梯形剖面井壁上的旋流跌水豎井的立面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出實(shí)施例并對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。有必要在此指出的是以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容做出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例I如圖2所示，本實(shí)施例給出的旋流跌水豎井是在設(shè)置有豎井旋流消能的泄洪洞組成的水工設(shè)施的基礎(chǔ)上，在豎井I下段水流速度大于30m/s位置對(duì)應(yīng)的高程上方壁面設(shè)置一環(huán)向突擴(kuò)2，環(huán)向突擴(kuò)2以下豎井內(nèi)壁的直徑逐漸擴(kuò)大形成梯形剖面3，并使梯形剖面3 段井壁的每一高度處均與發(fā)生橫向擴(kuò)散的水體邊緣保持至少2m的距離。在環(huán)向突擴(kuò)上均布二個(gè)通氣孔4，每個(gè)通氣孔4中都插接有與大氣相通的通氣管5。圖中跌水區(qū)的豎向虛線為水流軌跡線6，跌水區(qū)的水平虛線為水面線7 (由于此區(qū)域的水面波動(dòng)較大，并且大量摻氣，位置會(huì)有些波動(dòng)，因此以虛線表示)。實(shí)施例2本實(shí)施例給出的旋流跌水豎井除了在環(huán)向突擴(kuò)2上只設(shè)置有一個(gè)通氣孔4和相應(yīng)的通氣管5外，其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I完全相同，故略去不述。實(shí)施例3如圖3所示，本實(shí)施例給出的旋流跌水豎井是在設(shè)置有豎井旋流消能的泄洪洞組成的水工設(shè)施的基礎(chǔ)上，在豎井I下段水流速度大于30m/s位置對(duì)應(yīng)的高程上方壁面設(shè)置一環(huán)向突擴(kuò)2，環(huán)向突擴(kuò)2以下豎井內(nèi)壁的直徑逐漸擴(kuò)大形成梯形剖面3，并使梯形剖面3 段井壁的每一高度處均與發(fā)生橫向擴(kuò)散的水體邊緣保持至少2m的距離。在水面以上的梯形剖面3的井壁上均布二個(gè)通氣孔4，每個(gè)通氣孔4中都插接有與大氣相通的通氣管5。圖中跌水區(qū)的豎向虛線為水流軌跡線6，跌水區(qū)的水平虛線為水面線7 (由于此區(qū)域的水面波動(dòng)較大，并且大量摻氣，位置會(huì)有些波動(dòng)，因此以虛線表示)。實(shí)施例3本實(shí)施例給出的旋流跌水豎井除了在水面以上的梯形剖面3的井壁上均布有四個(gè)通氣孔4和相應(yīng)的通氣管5外，其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例3完全相同，故略去不述。
權(quán)利要求
1 一種旋流跌水豎井，其特征在于該旋流跌水豎井是在豎井(I)下段流速較高、水流空化數(shù)較小位置對(duì)應(yīng)的高程上方壁面設(shè)置一環(huán)向突擴(kuò)(2)，并使環(huán)向突擴(kuò)(2)以下豎井內(nèi)壁的直徑逐漸擴(kuò)大形成梯形剖面(3)，在環(huán)向突擴(kuò)(2)上或水面以上的梯形剖面(3)的井壁上設(shè)置有至少一個(gè)通氣孔(4)，每個(gè)通氣孔(4)中都插接有與大氣相通的通氣管(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋流跌水豎井，其特征在于環(huán)向突擴(kuò)(2)以下豎井井壁的每一高度處均與發(fā)生橫向擴(kuò)散的水體邊緣保持至少2m的距離。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的一種旋流跌水豎井是在豎井下段流速較高的位置對(duì)應(yīng)的高程上方壁面設(shè)置一環(huán)向突擴(kuò)，并使環(huán)向突擴(kuò)以下豎井內(nèi)壁的直徑逐漸擴(kuò)大形成梯形剖面，在環(huán)向突擴(kuò)上或水面以上的梯形剖面的井壁上設(shè)置有與大氣相通的至少一個(gè)通氣孔。本發(fā)明設(shè)置的環(huán)向突擴(kuò)和環(huán)向突擴(kuò)以下的豎井內(nèi)壁的直徑逐漸擴(kuò)大形成的梯形剖面，不僅可使高速水流從環(huán)向突擴(kuò)點(diǎn)起就脫離豎井壁面向下跌落，還可使發(fā)生橫向擴(kuò)散的高速跌落水流不再接觸豎井壁面，并通過(guò)環(huán)向突擴(kuò)上或水面以上的梯形剖面的井壁上布置的與大氣相通的通氣孔，保證了水體與井壁之間為空氣，因而實(shí)現(xiàn)了水體自環(huán)向突擴(kuò)點(diǎn)以下至進(jìn)入水墊這一區(qū)域?yàn)樽杂傻?，從而可徹底避免旋流豎井壁面的空化空蝕問(wèn)顆。
文檔編號(hào)E02B8/06GK102605752SQ20121007881
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者劉善均, 劉小江, 衛(wèi)望汝, 張葉林, 張建民, 張法星, 曲景學(xué), 王韋, 田忠, 許唯臨, 鄧軍 申請(qǐng)人:四川大學(xué)