[发明专利]阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施及消能方法

说明书

技术领域

本发明涉及大坝泄洪消能技术领域，特别涉及一种阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施及消能方法。

背景技术

随着水利水电工程建设的发展，以窄河谷、高水头和大流量等为特征的泄水建筑物高速水流问题尤为突出，消能防冲一直是水利工程设计中亟待解决的难题。为了消减库区下泄水流的巨大动能，实现库区和下游河道上下游水流的衔接，泄水建筑物需要采取有效的消能工。传统的消能方式有底流消能、挑流消能和面流(或戽流)消能等，这些消能方式在水利水电工程的建设和运行中发挥了巨大的作用。随着工程建设规模的发展，同时考虑到传统形式的消能工在工程运用中的特点和存在的局限性，如底流消能在下游需要有较长的护坦，土石方开挖和混凝土方量较大，工程造价较高；单一的挑流消能常常会产生强烈的雾化，影响工程安全和下游环境；面流(或戽流)消能在下游较长距离范围内引起河道水流的不平稳，影响电站运行和下游航运。

相对于传统泄洪消能方式，近年发展起来的阶梯(台阶)式消能工造价便宜、施工方便、易于检修，特别是随着碾压混凝土坝(RCC)技术的兴起，阶梯消能工得到了更广泛的应用。然而，阶梯消能工多适用于单宽流量较小(q≤60m²/s)的状况。当单宽流量增加，阶梯面上的水深增加时，掺气发生点将大大地向下游移动，在阶梯起始段的一定范围内，导致消能效率减弱，并引发结构严重的空蚀破坏。因此，阶梯消能工仍有待进行体型优化，增加其对大流量的适用性，提高消能效率。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施及其消能方法，克服现有阶梯消能工的技术不足，使其在单宽流量较大的情况能够保持较高的消能效率，满足水利工程在消能和安全方面的需要。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，包括溢流堰、阶梯结构、螺旋叶轮结构和水垫塘。

所述溢流堰与大坝连接为一体，溢流堰由弧形段、直线段、反弧段组成，溢流堰的入水口与上游的水库相连通，溢流堰的出水口位于水垫塘上方，水垫塘与下游河道相接。

所述阶梯结构由若干的阶梯单元构成，阶梯结构固定在溢流堰的直线段上，每个阶梯单元由阶梯曲面、阶梯竖面和墩结构组成，每个阶梯曲面与溢流堰、相邻的阶梯竖面连接固定，每个阶梯竖面也与溢流堰连接固定。

所述螺旋叶轮结构由若干的双螺旋叶轮单元构成，每个双螺旋叶轮单元由旋转轴、叶轮、滚珠轴承和固定件组成，叶轮与旋转轴固定连接，旋转轴的两端嵌套在滚珠轴承的内圈，滚珠轴承的外圈通过固定件连接固定于底座，螺旋叶轮结构通过底座固定在溢流堰的反弧段起始端。

在本发明中，所述墩结构固定在所述的阶梯曲面上，墩结构为不规则柱体，墩结构的侧面由一个矩形面和两个对称的曲面组成，矩形面靠近所述的阶梯竖面并且平行于阶梯竖面，墩结构的上底面为平面，下底面为与阶梯曲面曲率相同的曲面。所述墩结构在同一个阶梯曲面上按相同间距排列、在相邻的两个阶梯曲面上彼此交错布置。

在本发明中，所述双螺旋叶轮单元中的两根旋转轴处于同一个倾斜平面，旋转轴之间夹角为30°-40°，呈顶端不相连的“锐角”，角平分线的方向与水流方向相反。

作为优选，所述阶梯曲面为外缘上翘的凹形曲面，能够增大阶梯结构的摩阻系数，具有对水流挑射的附加功能，增加底部水流与表面水流之间碰撞和对冲的机率。

作为优选，所述叶轮螺旋缠绕固定于旋转轴，叶轮的叶片为涡轮叶片，能够增加叶轮的力矩，提高双螺旋叶轮单元的转速。

作为优选，所述固定件的上端为半圆环、下端为矩形。

本发明提供的技术方案还包括阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施的消能方法，包括如下步骤：

①当水库的库水位上涨超过溢流堰的堰顶后，洪水急速漫过溢流堰开始下泄；高速水流流过溢流堰的直线段时，受到阶梯结构强烈摩阻，若干个外缘上翘的阶梯曲面将水流向外挑射，同时受到若干个墩结构的阻碍和分流，使得水流经历一系列挑射、绕流、碰撞和飞溅的过程，从而实现阶梯式消能，消耗掉一部分能量；

②高速水流流过溢流堰反弧段起始端时，急速冲向螺旋叶轮结构，水流冲击叶轮的叶片，驱动双螺旋叶轮单元的两根旋转轴反向旋转，转动的叶轮带动周围水流旋转和对冲，同时水流受到螺旋叶轮结构的阻挡，使得水流经历一系列对冲、旋流、翻滚、喷射和飞溅的过程，从而实现螺旋反向旋转底坎式消能，消耗掉另一部分能量；