一种多级整流滑道竖井旋流泄洪洞
阅读说明：本技术 一种多级整流滑道竖井旋流泄洪洞 (Multistage rectification slideway shaft rotational flow flood discharging tunnel ) 是由 谌伟宁 杨佳刚 徐大朋 潘亚辉 熊卫红 李海涛 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及竖井跌水消能结构技术领域旋流消能结构技术领域,具体地指一种多级整流滑道竖井旋流泄洪洞。包括平直进口段、平直出口段以及上端衔接平直进口段、下端衔接平直出口段的竖直流道；所述竖直流道内设置有多组使竖直流道内水流沿流道内壁切线方向蜿蜒而下的螺旋滑道,多组螺旋滑道沿竖向间隔布置；所述平直出口段内设置有溢流结构；所述溢流结构悬置于平直出口段的流道中央将平直出口段的流道分割为溢流结构上方的流体流通流道和溢流结构下方的流体冲砂流道。本发明的泄洪洞结构简单,设置的多级螺旋滑道能够大幅度减缓流体流速,对流体起到很好的消能作用,设置的溢流结构能够有效解决砂石堆积和溢流退水的问题。(The invention relates to the technical field of rotational flow energy dissipation structures in the technical field of vertical shaft drop energy dissipation structures, in particular to a multistage rectification slideway vertical shaft rotational flow flood discharging tunnel. The device comprises a straight inlet section, a straight outlet section and a vertical flow passage, wherein the upper end of the vertical flow passage is connected with the straight inlet section, and the lower end of the vertical flow passage is connected with the straight outlet section; a plurality of groups of spiral slideways which enable water flow in the vertical runner to meander along the tangential direction of the inner wall of the runner are arranged in the vertical runner, and the plurality of groups of spiral slideways are vertically arranged at intervals; an overflow structure is arranged in the straight outlet section; the overflow structure is suspended in the center of the flow channel of the straight outlet section to divide the flow channel of the straight outlet section into a fluid circulation flow channel above the overflow structure and a fluid sand washing flow channel below the overflow structure. The flood discharge tunnel is simple in structure, the flow velocity of fluid can be greatly reduced through the arranged multistage spiral slideway, the fluid can play a good energy dissipation role, and the problems of sand and stone accumulation and overflow water return can be effectively solved through the arranged overflow structure.)
技术领域
本发明涉及竖井旋流消能结构技术领域，具体地指一种多级整流滑道竖井旋流泄洪洞。
背景技术
旋流竖井泄洪洞作为一种较为新型的消能工程设施，已在水头相对较低的水利水电工程中运用，特别是由于其可轻易实现泄洪洞平面转弯的灵活性，越来越多地受到欢迎，近年来有逐渐向高水头水利水电工程推广应用的趋势。如专利号为“CN202110103582.6”的名为“一种适用于竖井的旋转消力池式消能结构”的中国发明专利，该专利介绍的消能结构包括水流进口段、竖井、进口扩散段、消力池底板、溢流坎、通气井、底部消力池、竖井出水口，通气井设置在竖井中，竖井与通气井中间自上而下设有若干消力池底板，消力池底板设有溢流坎构成消力池，水流进口段设置在竖井顶部，竖井底部设有底部消力池，竖井底部设有出水口。该消能结构较为简单，能够有效消除竖井跌水的能量，减少冲击。但在高水头水电站中应用竖井旋流泄洪洞时，由于沿竖井壁面水体呈几乎自由落体状态，其沿程损失的能量远小于自由落体高差所带来的能量，而竖井内壁为圆形，沿内壁切向的环流流速沿程受壁面摩擦阻力，水流流速的切向分量越来越小，而竖井段内的水流流速铅直分量会越来越大，竖井下段的水流速度铅直分量很高，这将带来两个方面的问题，其一是竖井下段的流速达到甚至超过了40m/s，竖井壁面的水流空化数非常小，很容易发生空化空蚀破坏；二是水体环向流动圈数大幅缩小，导致大量的能量未能在沿程消耗掉，集中在竖井底部水垫中来消耗，对底部的冲击压力很大，容易造成底板破坏。此外，井底坑的砂石堆积物无法随水流顺利排出，也很难有机会进入井底坑疏挖清除，造成砂石对井底持续磨蚀。此外，小流量时射入涡室的水流往往因流速过低或离涡室内壁过远，难以形成旋流，导致水流不经沿程旋流消能直接跌落入井底，巨大的落差形成的高速水流的对井底的冲蚀力很大。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种多级整流滑道竖井旋流泄洪洞，解决了现有泄洪洞的问题，结构简单，操作方便。
本发明的技术方案为：一种多级整流滑道竖井旋流泄洪洞，包括平直进口段、平直出口段以及上端衔接平直进口段、下端衔接平直出口段的竖直流道；所述竖直流道内设置有多组使竖直流道内水流沿流道内壁切线方向蜿蜒而下的螺旋滑道，多组螺旋滑道沿竖向间隔布置；所述平直出口段内设置有溢流结构；所述溢流结构悬置于平直出口段的流道中央将平直出口段的流道分割为溢流结构上方的流体流通流道和溢流结构下方的流体冲砂流道。
进一步的所述溢流结构包括溢流堰；所述溢流堰为远离平直出口段出口端的一侧大、靠近平直出口段出口端的一侧小的墙体结构，溢流堰的上端面为远离平直出口段出口端的一侧高、靠近平直出口段出口端的一侧低的倾斜端面，溢流堰的下端面为等高的平直端面。
进一步的所述平直出口段包括与竖直流道下端连通的出口衔接段以及与出口衔接段出口连通的出口管；所述出口衔接段为靠近竖直流道的一端大、靠近出口管的一端小的收口型管道结构，出口衔接段的内侧上端面为与溢流堰的上端面平行的倾斜端面。
进一步的所述溢流堰远离出口管的侧面同竖直流道靠近出口管的一侧内壁在水平面上的投影重合，溢流堰上端面的最高点与出口管内壁上端齐平。
进一步的所述平直进口段包括与竖直流道上端等高的第一进口段以及高于第一进口段的第二进口段；所述第一进口段与第二进口段通过沿竖向倾斜的陡槽连通；所述陡槽为两端开口的用于增加流体流速的竖向倾斜腔体结构。
进一步的所述第一进口段为靠近陡槽一侧的流道面积大于远离陡槽一侧的流道面积的收束状腔体结构。
进一步的所述竖直流道包括与平直进口段的出口连通的蜗室以及与平直出口段进口连通的竖直段；所述竖直段与蜗室之间设置有上大下小的渐变段；所述竖直段内设置有多组螺旋滑道。
进一步的所述螺旋滑道的轴心处设置有沿竖向布置的第一通气管；所述第一通气管的上下两端开口，下端延伸至低于螺旋滑道的最下端、上端延伸至高于螺旋滑道的最上端。
进一步的所述蜗室上端开设有连通蜗室内部和外部大气的第二通气管。
进一步的所述出口衔接段的上端面上设置有用于连通出口衔接段内部与外部大气的第三通气管。
本发明的优点有：1、本发明通过设置溢流结构将出口段的流道分割为两个部分，流体流通通道专门用来排放流体，流体冲砂通道通过流速较高的流体冲刷，将泄洪洞底部的砂石快速冲走，避免砂石堆积，解决了现有技术砂石堆积难以清理的问题，通过在竖直流道内设置多组螺旋滑道，确保水流始终沿竖直流道的内壁切线流动，起到良好的消能作用；本发明的平直出口段结构一方面能够保证井底有足够深度的消能水坑，另一方面又便于冲砂，避免井底砂石聚集，同时与通气孔一起发挥作用，保证了陡坡退水洞始终为明流状态，避免出现封洞水跃；
2、本发明设置溢流堰，溢流堰悬置于平直出口段的中间，将平直出口段分割为两个流道，起到分流的作用，达到冲砂的目的，另外溢流堰为一端大一端小的墙体结构，能够进一步起到消能的作用，倾斜上端面可以延长流道，减缓流速；
3、本发明的平直出口段包括出口衔接段，出口衔接段为收口型管道结构，溢流堰的上端面与出口衔接段内壁上端面平行形成溢流堰上部流道，这样的布置结构能够减缓流速，降低水流对溢流堰和出口衔接段内部的冲击作用；
4、本发明的溢流堰大头端的侧面与竖直流道的内壁在水平方向上的投影重合，溢流堰的最高点与出口管内壁上端齐平，这样的布置结构能够最大程度降低水流对溢流堰的直接冲击作用；
5、本发明在进口段布置陡槽结构，用于提高水流进入到竖直流道时的入射速度，同时在第二进口段的第二侧面与底面之间设置斜面以缩小小流量射入涡室水流的宽度，确保各级流量的水流进入到涡室后始终能够以足够高的初始流速沿着涡室内壁切线方向入射，形成螺旋流动，俗称顺利“起旋”，避免小流量的入射水流无法正常起旋而直接跌落入底部，对底板造成冲蚀；
6、本发明在进入到竖直流道之前设置收束状的第一进口段，使得小流量水流能够沿切线紧贴竖直流道入射进入到竖直流道内，避免小流量的入射水流直接跌落入底部；
7、本发明的竖直流道包括蜗室、渐变段和竖直段，能够最大程度保证进入到竖直段内的水流在螺旋滑道上沿内壁切线流动，起到良好的消能效果；
8、本发明在每组螺旋滑道上均设置有第一通气管，第一通气管将螺旋滑道上下两端的空间连通起来，螺旋滑道的底面与竖向布置的第一通气管之间设置有面向竖井内壁的螺旋斜面，确保无论大、小流量时都把水流逼着贴附竖井内壁流动，螺旋滑道间隔一段距离布置，强制使旋流流速的竖直分量改变成沿竖井切向，使每级螺旋滑道末端断面射出的水流都切向贴附竖井内壁螺旋流动，避免竖直分量过大，大幅增加螺旋水流环向流动圈数，改善水流沿程消能效果。同时，通过缩小螺距、或加大螺旋斜面、或直接在缩小螺旋滑道末端收缩断面，等方法使得螺旋滑道过流断面面积越来越小，以至于使大流量时在螺旋滑道段因过流断面收缩水流受阻滞、集聚而形成消能水垫，起到如同井底消能坑的作用，大幅提高消能效果；
9、本发明在蜗室上安装有第二通气管，第二通气管能够将蜗室内的空气排放到大气中，避免流体中的气体释放后集聚在蜗室内造成的气压变化问题；
10、本发明在出口衔接段上设置有第三通气管，避免出现内外压差导致的流体倒灌或是阻碍流体流动的问题发生。
本发明的泄洪洞结构简单，设置的多级螺旋滑道能够大幅度减缓流体流速，对流体起到很好的消能作用，设置的溢流结构能够有效解决砂石堆积和溢流退水的问题。
附图说明
图1：本发明的外部立体示意图；
图2：本发明的内部立体示意图；
图3：本发明的剖视图；
图4：本发明的第一进口段俯视示意图；
其中：1—螺旋滑道；2—溢流堰；3—出口衔接段；4—出口管；5—第一进口段；6—第二进口段；7—陡槽；8—蜗室；9—竖直段；10—渐变段；11—第一通气管；12—第二通气管；13—第三通气管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1～4所示，本实施例介绍了一种多级整流滑道竖井旋流泄洪洞，本实施例的泄洪洞包括三个部分，分别为平直进口段、平直出口段以及上端衔接平直进口段、下端衔接平直出口段的竖直流道。
如图1～3所示，本实施例的平直进口段包括三个部分，包括与竖直流道上端等高的第一进口段5以及高于第一进口段5的第二进口段6，第一进口段5与第二进口段6通过沿竖向倾斜的陡槽7连通，陡槽7为两端开口的用于增加流体流速的竖向倾斜腔体结构，陡槽7能提高进入到竖直流道的流体入射速度，避免部分流体直接跌落到底部。
第一进口段5为靠近陡槽7一侧的流道面积大于远离陡槽7一侧的流道面积的收束状腔体结构，如图4所示，通过收束式结构，进一步提高入射流速，另外本实施例的第一进口段5的出口端的方向与第一进口段5同蜗室8衔接部位的切线方向重合，这样能够保证从第一进口段5出口流出的流体按照蜗室8内壁的切线方向流动。
如图1～3所示，本实施例的竖直流道包括三个部分，竖直流道包括与第一进口段5的出口连通的蜗室8以及与平直出口段进口连通的竖直段9，竖直段9与蜗室8之间设置有上大下小的渐变段10，竖直段9内设置有多组螺旋滑道1，多组螺旋滑道1沿竖向等距间隔布置，间隔距离可以根据实际需求进行相应的调整设置，螺旋滑道1大幅度延长了流体流道长度，对流体起到很好的消能作用。
另外，螺旋滑道1的轴心处设置有沿竖向布置的第一通气管11，第一通气管11的上下两端开口，下端延伸至低于螺旋滑道1的最下端、上端延伸至高于螺旋滑道1的最上端。第一通气管11将螺旋滑道1上下两端的空间连通，避免螺旋滑道1上下两端出现压差阻碍流体流动。
如图3所示，蜗室8上端开设有连通蜗室8内部和外部大气的第二通气管12。
如图1～3所示，本实施例的平直出口段包括与竖直段9下端连通的出口衔接段3以及与出口衔接段3出口连通的出口管4，出口衔接段3为靠近竖直流道的一端大、靠近出口管的一端小的收口型管道结构。
本实施例在出口衔接段3内设置有溢流堰2，如图2～3所示，溢流堰2为远离平直出口段出口端的一侧大、靠近平直出口段出口端的一侧小的墙体结构，溢流堰2的上端面为远离平直出口段出口端的一侧高、靠近平直出口段出口端的一侧低的倾斜端面，溢流堰2的下端面为等高的平直端面。出口衔接段3的内侧上端面为与溢流堰2的上端面平行的倾斜端面。溢流堰2的上端面与出口衔接段3的内侧上端面之间形成流体流通流道，用于排放流体，溢流堰2的下端面与出口衔接段3的内壁下端面之间形成流体冲砂流道，用于冲走堆积的砂石。
为了减小对溢流堰2的冲击，本实施例的溢流堰2远离出口管4的侧面同竖直流道靠近出口管4的一侧内壁在水平面上的投影重合，溢流堰2上端面的最高点与出口管4内壁上端齐平。
另外，出口衔接段3的上端面上设置有用于连通出口衔接段3内部与外部大气的第三通气管13。
实际使用时，流体从第二进口段6进入，经过陡槽7提速后进入到第一进口段5，第一进口段5对流体进行收束，然后使流体沿蜗室8的内壁切线方向进入到蜗室8内，通过渐变段10进入到竖直段9，流体在竖直段9内的螺旋滑道1上消能，通过竖直段9后进入到出口衔接段3，一部分流体通过溢流堰2下方的流体冲砂流道流过出口管4流出，当出口衔接段3内的水位高于溢流堰2后，部分流体从溢流堰2上方空间的流体流通流道流出出口管4。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。