[发明专利]一种水平旋流泄洪洞起旋器体型设计方法

说明书

本发明公开了一种水平旋流泄洪洞起旋器体型设计方法，根据空腔旋转流条件下，起旋器的尺寸与起旋器的孔口压强p₁的关系，以及上游水位H、下游水位h和起旋器孔口面积收缩比n引起的Fr²，上下游水位差(H‑h)/h，通气孔相对直径变化D₀/D，旋流阻塞孔口面积比m与p₁之间的联系，确定起旋器孔口的尺寸。该设计方法简单有效，可以保证依据本发明得到的起旋器满足在设计水头和泄流量范围内水平旋流泄洪洞中具有稳定的流态，填补了现行规范中没有具体的关于空腔旋流条件下起旋器设计方法的空白。

技术领域

本发明属于泄洪消能设施装置技术领域，具体涉及了一种水平旋流泄洪洞起旋器体型设计方法。

背景技术

随着大型水电站的建设越来越多，其泄洪洞普遍具有“高水头，大泄量”的泄洪特点，传统的洞外消能型泄洪洞已很难适用。水平旋流式消能是在泄洪洞内设置的起旋装置，使水流在洞内发生旋转进行消能，是一种较新型的泄洪消能设施，具有进口布置设计灵活、消能率高、空蚀空化可能性小、出口雾化小和下游河道冲刷轻等特点。

水平旋流泄洪洞起旋器，安装在竖井末端，包括与竖井衔接的过渡段，两侧收缩曲线或直线段，连接竖井与水平旋流泄洪洞(各部位基本体型如图1 所示)，是水平旋流泄洪洞旋转流的旋流发生器，是水平旋流泄洪洞最重要的构成部分。起旋器体型决定水平旋流泄洪洞内的流态与稳定性、泄流量的大小、旋流洞壁面压强、消能率的大小和旋流洞内是否会发生空化空蚀，设计起旋器时，需要考虑起旋器孔口的面积、孔口面积收缩率和宽高比，通气孔的位置和直径4个方面。而本专利主要是对起旋器孔口面积进行设计。

由于起旋器出口后的水流，由竖向的有压流，迅速转变为水平洞内的空腔旋转流，导致能量与动量急剧转变与调整，存在较大的能量损失，并因各种因素变化导致的旋流洞内离心力变化和起旋器孔口处压强变化，泄流量与相关水力特性均会反生变化，因此与现有的有压孔口体型的设计方法不同。目前虽有一些关于水平旋流泄洪洞水力特性的研究，但目前无任何设计规范与设计方法可以进行这种水平旋流泄洪洞起旋器的体型设计，而传统起旋器的体型是通过模型试验不断优化得到较合理的体型。所以本发明是总结发明者多年的试验研究成果并进行理论分析，最后得出水平旋流泄洪洞起旋器的经验设计方法，这也是对水平旋流泄洪洞进行更深入的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种水平旋流泄洪洞起旋器体型设计方法，解决了现有技术中还没有具体的关于水平旋流起旋器设计方法问题。

本发明所采用的技术方案是，一种水平旋流泄洪洞起旋器体型设计方法，根据给定的作用水头大小分为两种设计方法，步骤如下：

(1)当作用水头H＜70时，

步骤1.1，假定起旋器孔口面积为A_j，根据下式计算起旋器孔口断面的水流傅汝德数Fr，其中，Q为设计流量，h为下游水位；

步骤1.2，假定竖井直径为D，当h/D<0.5时，根据公式p₁/ρgH ＝0.7257Fr²-0.2571，由Fr计算起旋器孔口的压强p¹/pgH；当h/D>0.5时，根据公式p₁/ρgH＝1.2309[(H-h)/h]^-0.369计算p₁/ρgH；

步骤1.3，根据下式计算起旋器孔口的流量系数μ₁，其中μ为有压孔口自由出流的流量系数，介于0.95～0.98之间；

再根据μ₁和公式计算起旋器孔口的孔口面积A₁；