階梯式-螺旋反向旋轉(zhuǎn)底坎式聯(lián)合消能設(shè)施的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及大壩泄洪消能技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種階梯式-螺旋反向旋轉(zhuǎn)底坎式聯(lián)合消能設(shè)施。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著水利水電工程建設(shè)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(shè)計(jì)中亟待解決的難題。為了消減庫區(qū)下泄水流的巨大動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(shè)和運(yùn)行中發(fā)揮了巨大的作用。隨著工程建設(shè)規(guī)模的發(fā)展，同時(shí)考慮到傳統(tǒng)形式的消能工在工程運(yùn)用中的特點(diǎn)和存在的局限性，如底流消能在下游需要有較長(zhǎng)的護(hù)坦，土石方開挖和混凝土方量較大，工程造價(jià)較高；單一的挑流消能常常會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(zhǎng)距離范圍內(nèi)引起河道水流的不平穩(wěn)，影響電站運(yùn)行和下游航運(yùn)。
[0003]相對(duì)于傳統(tǒng)泄洪消能方式，近年發(fā)展起來的階梯(臺(tái)階)式消能工造價(jià)便宜、施工方便、易于檢修，特別是隨著碾壓混凝土壩(RCC)技術(shù)的興起，階梯消能工得到了更廣泛的應(yīng)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(dāng)單寬流量增加，階梯面上的水深增加時(shí)，摻氣發(fā)生點(diǎn)將大大地向下游移動(dòng)，在階梯起始段的一定范圍內(nèi)，導(dǎo)致消能效率減弱，并引發(fā)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重的空蝕破壞。因此，階梯消能工仍有待進(jìn)行體型優(yōu)化，增加其對(duì)大流量的適用性，提高消能效率。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]發(fā)明目的:本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種階梯式-螺旋反向旋轉(zhuǎn)底坎式聯(lián)合消能設(shè)施，克服現(xiàn)有階梯消能工的技術(shù)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(shù)方案:本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的階梯式-螺旋反向旋轉(zhuǎn)底坎式聯(lián)合消能設(shè)施，包括溢流堰、階梯結(jié)構(gòu)、螺旋葉輪結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由若干的階梯單元構(gòu)成，階梯結(jié)構(gòu)固定在溢流堰的直線段上，每個(gè)階梯單元由階梯曲面、階梯豎面和墩結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)階梯曲面與溢流堰、相鄰的階梯豎面連接固定，每個(gè)階梯豎面也與溢流堰連接固定。
[0008]所述螺旋葉輪結(jié)構(gòu)由若干的雙螺旋葉輪單元構(gòu)成，每個(gè)雙螺旋葉輪單元由旋轉(zhuǎn)軸、葉輪、滾珠軸承和固定件組成，葉輪與旋轉(zhuǎn)軸固定連接，旋轉(zhuǎn)軸的兩端嵌套在滾珠軸承的內(nèi)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(jié)構(gòu)通過底座固定在溢流堰的反弧段起始端。
[0009]在本實(shí)用新型中，所述墩結(jié)構(gòu)固定在所述的階梯曲面上，墩結(jié)構(gòu)為不規(guī)則柱體，墩結(jié)構(gòu)的側(cè)面由一個(gè)矩形面和兩個(gè)對(duì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在同一個(gè)階梯曲面上按相同間距排列、在相鄰的兩個(gè)階梯曲面上彼此交錯(cuò)布置。
[0010]在本實(shí)用新型中，所述雙螺旋葉輪單元中的兩根旋轉(zhuǎn)軸處于同一個(gè)傾斜平面，旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的摩阻系數(shù)，具有對(duì)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(duì)沖的機(jī)率。
[0012]作為優(yōu)選，所述葉輪螺旋纏繞固定于旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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]有益效果:本實(shí)用新型的階梯式-螺旋反向旋轉(zhuǎn)底坎式聯(lián)合消能設(shè)施，具有以下有益效果:
[0015](1)本實(shí)用新型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(jié)構(gòu)的摩阻系數(shù)，而且能夠增強(qiáng)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(duì)沖的機(jī)率大大增加。
[0016](2)本實(shí)用新型中的階梯結(jié)構(gòu)上布設(shè)著若干個(gè)墩結(jié)構(gòu)，墩結(jié)構(gòu)為不規(guī)則柱體，墩結(jié)構(gòu)的側(cè)面由一個(gè)矩形面和兩個(gè)對(duì)稱的曲面組成，墩結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的拖曳阻力，增加了水流的局部損失，從而增強(qiáng)了階梯結(jié)構(gòu)的消能效果。墩結(jié)構(gòu)的兩個(gè)對(duì)稱曲面使得水流在同一個(gè)墩結(jié)構(gòu)尖端發(fā)生繞流對(duì)沖、在同一階梯單元相鄰的墩結(jié)構(gòu)之間擴(kuò)散，水流的紊動(dòng)性增強(qiáng)，從而提高了階梯結(jié)構(gòu)的消能效果。墩結(jié)構(gòu)在相鄰的兩個(gè)階梯曲面上彼此交錯(cuò)布置，交錯(cuò)布置方式使得水流不斷折彎，增加了水流的沿程損失，進(jìn)一步增強(qiáng)了階梯結(jié)構(gòu)的消能效果。
[0017](3)本實(shí)用新型中的雙螺旋葉輪單元在水流沖擊葉輪時(shí)，形成兩股螺旋反向旋轉(zhuǎn)的水流，增加了周圍水流旋轉(zhuǎn)和對(duì)沖的過程，具有旋轉(zhuǎn)消能的顯著效果。同時(shí)，不同的雙螺旋葉輪單元之間的水流受到旋轉(zhuǎn)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。
[0018](4)本實(shí)用新型中的螺旋葉輪結(jié)構(gòu)由若干的雙螺旋葉輪單元構(gòu)成，螺旋葉輪結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的功能，而且具有保護(hù)溢流堰反弧段防沖刷的功能。螺旋葉輪結(jié)構(gòu)布置在溢流堰的反弧段起始端，整體具有趾墩(消力池內(nèi)的一種輔助消能工，建在消力池進(jìn)口斜坡段坡腳的墩形輔助消能建筑物)的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)螺旋反向旋轉(zhuǎn)底坎式消能效果。
[0019](5)本實(shí)用新型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(jīng)過階梯式消能和螺旋反向旋轉(zhuǎn)底坎式消能后的大部分余能。
[0020](6)本實(shí)用新型中的階梯式-螺旋反向旋轉(zhuǎn)底坎式聯(lián)合消能設(shè)施在傳統(tǒng)溢流堰上設(shè)計(jì)了階梯結(jié)構(gòu)和螺旋葉輪結(jié)構(gòu)，改善了溢流堰的消能方式，對(duì)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(shí)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0021]圖1是本實(shí)用新型階梯式-螺旋反向旋轉(zhuǎn)底坎式聯(lián)合消能設(shè)施的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是圖1中的階梯結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3是圖2中的階梯單元示意圖；
[0024]圖4是圖1中的螺旋葉輪結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5是圖4中的雙螺旋葉輪單元示意圖。
[0026]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(jié)構(gòu)；40_階梯單元；41_階梯曲面；42_階梯豎面；43_墩結(jié)構(gòu)；5-螺旋葉輪結(jié)構(gòu)；50_雙螺旋葉輪單元；51_底座；52_旋轉(zhuǎn)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(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作更