階梯式-螺旋反向旋轉底坎式聯合消能設施及消能方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及大壩泄洪消能技術領域，特別涉及一種階梯式-螺旋反向旋轉底坎式聯合消能設施及消能方法。
【背景技術】
[0002]隨著水利水電工程建設的發(fā)展，以窄河谷、高水頭和大流量等為特征的泄水建筑物高速水流問題尤為突出，消能防沖一直是水利工程設計中亟待解決的難題。為了消減庫區(qū)下泄水流的巨大動能，實現庫區(qū)和下游河道上下游水流的銜接，泄水建筑物需要采取有效的消能工。傳統的消能方式有底流消能、挑流消能和面流(或戽流)消能等，這些消能方式在水利水電工程的建設和運行中發(fā)揮了巨大的作用。隨著工程建設規(guī)模的發(fā)展，同時考慮到傳統形式的消能工在工程運用中的特點和存在的局限性，如底流消能在下游需要有較長的護坦，土石方開挖和混凝土方量較大，工程造價較高；單一的挑流消能常常會產生強烈的霧化，影響工程安全和下游環(huán)境；面流(或戽流)消能在下游較長距離范圍內引起河道水流的不平穩(wěn)，影響電站運行和下游航運。
[0003]相對于傳統泄洪消能方式，近年發(fā)展起來的階梯(臺階)式消能工造價便宜、施工方便、易于檢修，特別是隨著碾壓混凝土壩(RCC)技術的興起，階梯消能工得到了更廣泛的應用。然而，階梯消能工多適用于單寬流量較小(q<60m2/s)的狀況。當單寬流量增加，階梯面上的水深增加時，摻氣發(fā)生點將大大地向下游移動，在階梯起始段的一定范圍內，導致消能效率減弱，并引發(fā)結構嚴重的空蝕破壞。因此，階梯消能工仍有待進行體型優(yōu)化，增加其對大流量的適用性，提高消能效率。

【發(fā)明內容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種階梯式-螺旋反向旋轉底坎式聯合消能設施及其消能方法，克服現有階梯消能工的技術不足，使其在單寬流量較大的情況能夠保持較高的消能效率，滿足水利工程在消能和安全方面的需要。
[0005]技術方案:本發(fā)明解決其技術問題所采用的階梯式-螺旋反向旋轉底坎式聯合消能設施，包括溢流堰、階梯結構、螺旋葉輪結構和水墊塘。
[0006]所述溢流堰與大壩連接為一體，溢流堰由弧形段、直線段、反弧段組成，溢流堰的入水口與上游的水庫相連通，溢流堰的出水口位于水墊塘上方，水墊塘與下游河道相接。
[0007]所述階梯結構由若干的階梯單元構成，階梯結構固定在溢流堰的直線段上，每個階梯單元由階梯曲面、階梯豎面和墩結構組成，每個階梯曲面與溢流堰、相鄰的階梯豎面連接固定，每個階梯豎面也與溢流堰連接固定。
[0008]所述螺旋葉輪結構由若干的雙螺旋葉輪單元構成，每個雙螺旋葉輪單元由旋轉軸、葉輪、滾珠軸承和固定件組成，葉輪與旋轉軸固定連接，旋轉軸的兩端嵌套在滾珠軸承的內圈，滾珠軸承的外圈通過固定件連接固定于底座，螺旋葉輪結構通過底座固定在溢流堰的反弧段起始端。
[0009]在本發(fā)明中，所述墩結構固定在所述的階梯曲面上，墩結構為不規(guī)則柱體，墩結構的側面由一個矩形面和兩個對稱的曲面組成，矩形面靠近所述的階梯豎面并且平行于階梯豎面，墩結構的上底面為平面，下底面為與階梯曲面曲率相同的曲面。所述墩結構在同一個階梯曲面上按相同間距排列、在相鄰的兩個階梯曲面上彼此交錯布置。
[0010]在本發(fā)明中，所述雙螺旋葉輪單元中的兩根旋轉軸處于同一個傾斜平面，旋轉軸之間夾角為30° -40°，呈頂端不相連的“銳角”，角平分線的方向與水流方向相反。
[0011]作為優(yōu)選，所述階梯曲面為外緣上翹的凹形曲面，能夠增大階梯結構的摩阻系數，具有對水流挑射的附加功能，增加底部水流與表面水流之間碰撞和對沖的機率。
[0012]作為優(yōu)選，所述葉輪螺旋纏繞固定于旋轉軸，葉輪的葉片為渦輪葉片，能夠增加葉輪的力矩，提高雙螺旋葉輪單元的轉速。
[0013]作為優(yōu)選，所述固定件的上端為半圓環(huán)、下端為矩形。
[0014]本發(fā)明提供的技術方案還包括階梯式-螺旋反向旋轉底坎式聯合消能設施的消能方法，包括如下步驟:
[0015]①當水庫的庫水位上漲超過溢流堰的堰頂后，洪水急速漫過溢流堰開始下泄；高速水流流過溢流堰的直線段時，受到階梯結構強烈摩阻，若干個外緣上翹的階梯曲面將水流向外挑射，同時受到若干個墩結構的阻礙和分流，使得水流經歷一系列挑射、繞流、碰撞和飛濺的過程，從而實現階梯式消能，消耗掉一部分能量；
[0016]②高速水流流過溢流堰反弧段起始端時，急速沖向螺旋葉輪結構，水流沖擊葉輪的葉片，驅動雙螺旋葉輪單元的兩根旋轉軸反向旋轉，轉動的葉輪帶動周圍水流旋轉和對沖，同時水流受到螺旋葉輪結構的阻擋，使得水流經歷一系列對沖、旋流、翻滾、噴射和飛濺的過程，從而實現螺旋反向旋轉底坎式消能，消耗掉另一部分能量；
[0017]③水流流過溢流堰的反弧段末端時，在慣性作用下發(fā)生挑射，使得水流與空氣混摻，而后落入水墊塘中，在水墊塘中形成紊動劇烈的翻滾水流，從而實現摻氣消能和水墊塘消能；
[0018]④從水墊塘流出的水流與下游河道自然銜接，能夠保證下游河道不被沖刷破壞；
[0019]按照上述消能步驟，即可提高溢流堰的消能防沖效率。
[0020]有益效果:本發(fā)明的階梯式-螺旋反向旋轉底坎式聯合消能設施及其消能方法，具有以下有益效果:
[0021](I)本發(fā)明中的階梯曲面采用外緣上翹的凹形曲面，不僅能夠增大階梯結構的摩阻系數，而且能夠增強溢流堰直線段底部水流的挑射功能，使得溢流堰直線段的底部水流與表面水流之間相互碰撞和對沖的機率大大增加。
[0022](2)本發(fā)明中的階梯結構上布設著若干個墩結構，墩結構為不規(guī)則柱體，墩結構的側面由一個矩形面和兩個對稱的曲面組成，墩結構的矩形面靠近相鄰的階梯豎面并且平行于階梯豎面，矩形面增加了墩結構的拖曳阻力，增加了水流的局部損失，從而增強了階梯結構的消能效果。墩結構的兩個對稱曲面使得水流在同一個墩結構尖端發(fā)生繞流對沖、在同一階梯單元相鄰的墩結構之間擴散，水流的紊動性增強，從而提高了階梯結構的消能效果。墩結構在相鄰的兩個階梯曲面上彼此交錯布置，交錯布置方式使得水流不斷折彎，增加了水流的沿程損失，進一步增強了階梯結構的消能效果。
[0023](3)本發(fā)明中的雙螺旋葉輪單元在水流沖擊葉輪時，形成兩股螺旋反向旋轉的水流，增加了周圍水流旋轉和對沖的過程，具有旋轉消能的顯著效果。同時，不同的雙螺旋葉輪單元之間的水流受到旋轉水流的剪切影響，能夠發(fā)生一系列旋流、翻滾、噴射和飛濺，極大地提高了消能效率。
[0024](4)本發(fā)明中的螺旋葉輪結構由若干的雙螺旋葉輪單元構成，螺旋葉輪結構通過底座固定在溢流堰的反弧段起始端。底座不僅具有固定螺旋葉輪結構的功能，而且具有保護溢流堰反弧段防沖刷的功能。螺旋葉輪結構布置在溢流堰的反弧段起始端，整體具有趾墩(消力池內的一種輔助消能工，建在消力池進口斜坡段坡腳的墩形輔助消能建筑物)的作用，能夠實現螺旋反向旋轉底坎式消能效果。
[0025](5)本發(fā)明中的水墊塘能夠避免溢流堰反弧段的挑射水流直接落入河床沖刷壩址地基，水流在水墊塘中劇烈翻滾和飛濺，能夠消耗掉高速水流經過階梯式消能和螺旋反向旋轉底坎式消能后的大部分余能。
[0026](6)本發(fā)明中的階梯式-螺旋反向旋轉底坎式聯合消能設施在傳統溢流堰上設計了階梯結構和螺旋葉輪結構，改善了溢流堰的消能方式，對提高泄洪消能效率、減輕壩下沖刷破壞程度等具有顯著成效，具有更高的消能防沖效率和突出的工程實用價值。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明階梯式-螺旋反向旋轉底坎式聯合消能設施的結構示意圖；
[0028]圖2是圖1中的階梯結構示意圖；
[0029]圖3是圖2中的階梯單元示意圖；
[0030]圖4是圖1中的螺旋葉輪結構示意圖；
[0031]圖5是圖4中的雙螺旋葉輪單元示意圖。
[0032]圖中:1-水庫；2-大壩；3-溢流堰；31-入水口 ；32_出水口 ；33_弧形段；34-直線段；35_反弧段；4_階梯結構；40_階梯單元；41_階梯曲面；42_階梯豎面；43_墩結構；5-螺旋葉輪結構；50_雙螺旋葉輪單元；51_底座；52_旋轉軸；53_葉輪；54_滾珠軸承；55-固定件；6_水墊塘；7_下游河道。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
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