專利名稱：L型消能工的制作方法
技術領域：
本發明屬于水利水電工程中使用的消能設施，特別涉及一種用于有壓泄洪洞的消能工。
背景技術：
針對大流量、高水頭泄洪洞的消能問題，特別是將施工期導流洞改建成永久泄洪洞的消能問題，目前一般采用龍抬頭和豎井旋流的型式，前者幾乎沒有消能，主要是沿程水頭損失有一定的消能，出洞后的剩余水頭仍然很大，且因洞內流速高需設置摻氣減蝕設施，即便如此，在高水頭時仍有可能發生空蝕破壞；而后者的豎井主要是將水流旋轉導入豎井底部，避免水流直接沖擊井底，消力井內水流強烈紊動對消能起主要作用，由于旋流必然將空氣大量卷入水體中，下平段應該為明流以便于氣體的釋放，但實際工程絕大多數導流洞布置高程較低，導流洞出口低于大洪水時的河道水位，若采用豎井旋流則會出現明滿流交替的惡劣流態，洞身安全難以保證。
因此，采用洞內消能的方式有著廣泛的應用前景。國外在1967年公開了一種在泄洪洞中安裝消能工的消能方式(參見Samuel O.Russell，James W.Ball.Sudden-enlargementenergy dissipator for Mica dam.Journal of the hydraulics division ASCE，7(1967)41～56)，但其結構復雜，運行水頭低，運行流量小，施工工程量大，不能適應高水頭、大流量泄洪洞洞內消能的要求。孔板消能工已成功應用到實際工程中，其消能主要是發生在孔板突擴后的強紊動剪切區(參見林秀山，沈鳳生著《多級孔板泄洪洞的研究與工程實踐》，中國水利水電出版社，2003年3月，北京)，沒有充分利用突縮作用進行消能。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種L型消能工，此種消能工不僅結構簡單，而且能有效解決大流量、高水頭泄洪洞的消能問題。
本發明所述L型消能工安裝在豎井與泄洪洞結合部的垂直轉彎處，有兩種屬于一個總的發明構思的結構。
第一種結構的L型消能工由兩段內徑相同的圓筒體相交構成，兩圓筒體軸線的夾角α為80°～100°，其中一圓筒體接豎井，另一圓筒體接泄洪洞。圓筒體與泄洪洞的對接位置根據實際工程決定，但應滿足0≤h1≤H-2r，式中，h1為與泄洪洞相接的圓筒體最低點與泄洪洞底部的間距，H為泄洪洞的高度，r為圓筒體的內半徑。
第二種結構的L型消能工由一段圓筒體和一段“Ω”形筒體相交構成，“Ω”形筒體由圓筒體切割掉一弓形弧片而成，圓筒體、“Ω”形筒體的內徑相同，兩筒體軸線的夾角α為80°～100°，圓筒體接豎井，“Ω”形筒體接泄洪洞。弓形弧片的拱高h2應滿足0＜h2＜0.5r，式中，r為“Ω”形筒體的內半徑。“Ω”形筒體與泄洪洞的對接位置是切割掉弓形弧片的部位與泄洪洞的底部相接(如圖4、圖6所示)。
本發明所述L型消能工主要是利用兩筒體相交的直彎處進行消能，因此，兩筒體軸線的夾角α以90°為最佳，由于折彎圓洞內的水流速度高，因此可以保證直角轉彎具有很高的消能率。由于洞內具有很高的內水壓力，因而可以避免出現空化現象。
為了利用突縮突擴造成水頭損失進行消能，構成本發明所述L型消能工的筒體的內徑小于豎井的井徑。
安裝本發明所述L型消能工后，豎井中的水流首先經過突縮進入L型消能工，實現第一次的突縮消能；繼后，水流經過L型消能工的兩筒體相交處直角轉彎，能量再次被消殺，最后，水流流出L型消能工進入尺寸很大的泄洪洞，實現突擴消能。
本發明具有以下有益效果1、消能水頭高，理論上可以消殺全部水頭。根據下游河道的承受能力，確定泄洪洞的出口流速，亦即剩余水頭被確定，L型消能工所要消殺的水頭則為總水頭減去剩余水頭，可由公式Hf=ξv22g]]>計算消能水頭(式中，hf為消能水頭，ξ為消能水頭損失系數，ξ＝2.4～2.6，v為L型消能工內的水流流速)。考慮到本發明所述L型消能工的空化特性，宜在泄洪洞內布置其它輔助消能工提高本消能工的內水壓力，經本發明所述L型消能工的消能水頭一般控制在總水頭的一半左右。
2、抗空化特性好，由兩段內徑相同的圓筒體相交構成的L型消能工，其初生空化數約為4.6，由一段圓筒體和一段“Ω”形筒體相交構成的L型消能工，可以通過調整弓形弧片拱高h2的大小來改善其空化特性，對于絕大多數工程可以實現無空化設計。
3、能適應大流量、高水頭工作條件，在某大型水電工程的導流洞改建方案研究中，上下游水位差200m以上、泄流量約3000m3/s的條件下采用本發明所述L型消能工與洞塞消能工相結合的體型布置，常壓模型試驗表明，泄量滿足要求，壓力分布合理，各級消能工的消能水頭有保證，最后在減壓模型中驗證了該體型在運行工況下未出現空化并有一定的安全裕度。
4、特別適合導流洞改建成永久泄洪洞，對于大型工程，與現有的消能設施相比，可節省上億的資金。
5、結構簡單，易于制作和施工。
圖1是本發明所述L型消能工的一種結構簡圖；圖2是圖1的A-A剖視圖；圖3是圖1的B-B剖視圖；圖4是本發明所述L型消能工的又一種結構簡圖；圖5是圖4的A-A剖視圖；圖6是圖4的B-B剖視圖。
圖中，1-豎井、2-L型消能工、3-泄洪洞。
具體實施例方式
實施例1本實施例中的L型消能工如圖1、圖2、圖3所示，由兩段內徑相同的混凝土圓筒體相交構成，兩圓筒體軸線的夾角α為80°～100°，但以90°為最佳，在施工中盡量使兩圓筒體軸線的夾角α為90°。
在泄洪洞為完全有壓流、上游庫水位與下游河道水位的落差為200m、流量2630m3/s的條件下，使用本實施例所述的L型消能工進行模型試驗，具體設計如下構成L型消能工的圓筒體的內徑12m，豎井井徑16m，泄洪洞為16m寬、20m高的城門洞，與泄洪洞相接的圓筒體最低點與泄洪洞底部的間距h1為0。經L型消能工的水頭損失在校核、設計和最低水位三個典型工況下分別為70.1m，70.7m，72.8m，堅井內平均流速13.5m/s，泄洪洞內平均流速8.8m/s，均不涉及復雜的高速水流問題，L型消能工的圓筒體內平均流速23.3m/s，通過與洞塞或孔板消能工配合，直角轉彎后構成L型消能工的圓筒體頂部保持較高的水壓力(30～40m水頭)，與之相鄰的泄洪洞內的水壓力125m水頭，水流空化數大于初生空化數，通過1∶40的減壓模型試驗未出現空化，直至在超真空情況下才出現空化，表明該體型布置抗空化性能有一定的安全裕度。
實施例2本實施例中的L型消能工如圖4、圖5、圖6所示，由一段混凝土圓筒體和一段混凝土“Ω”形筒體相交構成，“Ω”形筒體由圓筒體切割掉一弓形弧片而成，兩筒體軸線的夾角α為80°～100°，但以90°為最佳，在施工中盡量使兩圓筒體軸線的夾角α為90°。
在泄洪洞為完全有壓流、上游庫水位與下游河道水位的落差為200m、流量2500m3/s的條件下，使用本實施例所述的L型消能工進行模型試驗，具體設計如下圓筒體、“Ω”形筒體的內徑均為12m，弓形弧片的拱高h2為2m(＝0.33r，r為圓筒體內半徑)，豎井井徑14m，圓筒體接豎井，“Ω”形筒體接泄洪洞，“Ω”形筒體與泄洪洞的對接位置是切割掉弓形弧片的部位與泄洪洞的底部相接，如圖4、圖6所示。本消能工后設三級洞塞消能工與之配合，模型試驗表明構成L型消能工的圓筒體內平均流速22.1m/s，轉彎后“Ω”形筒體內水流平均速度為24.8m/s，頂部的壓力最低，仍保持在30m水頭以上，與之相鄰的泄洪洞內的水壓力120m水頭，水流空化數大于初生空化數，通過1∶50的減壓模型試驗未出現空化，直至在超真空情況下才出現空化，表明該體型布置抗空化性能有一定的安全裕度。
權利要求
1.一種L型消能工，其特征在于由兩段內徑相同的圓筒體相交構成，兩圓筒體軸線的夾角α為80°～100°，其中一圓筒體接豎井，另一圓筒體接泄洪洞。
2.根據權利要求1所述的L型消能工，其特征在于兩圓筒體軸線的夾角α以90°為最佳。
3.根據權利要求1或2所述的L型消能工，其特征在于與泄洪洞相接的圓筒體最低點與泄洪洞底部的間距h1由0≤h1≤H-2r確定，式中，H為泄洪洞的高度，r為圓筒體的內半徑。
4.一種L型消能工，其特征在于由一段圓筒體和一段“Ω”形筒體相交構成，“Ω”形筒體由圓筒體切割掉一弓形弧片而成，圓筒體、“Ω”形筒體的內徑相同，兩筒體軸線的夾角α為80°～100°，圓筒體接豎井，“Ω”形筒體接泄洪洞。
5.根據權利要求4所述的L型消能工，其特征在于兩筒體軸線的夾角α以90°為最佳。
6.根據權利要求4或5所述的L型消能工，其特征在于弓形弧片的拱高h2由0＜h2＜0.5r確定，式中，r為“Ω”形筒體的內半徑。
全文摘要
本發明所述L型消能工安裝在豎井與泄洪洞結合部的垂直轉彎處，由兩段內徑相同的圓筒體相交構成，兩圓筒體軸線的夾角α為80°～100°。本發明所述L型消能工還可由一段圓筒體和一段“Ω”形筒體相交構成，“Ω”形筒體由圓筒體切割掉一弓形弧片而成，圓筒體、“Ω”形筒體的內徑相同，圓筒體接豎井，“Ω”形筒體接泄洪洞，“Ω”形筒體與泄洪洞的對接位置是切割掉弓形弧片的部位與泄洪洞的底部相接。本發明所述L型消能工主要是利用兩筒體相交的直彎處進行消能，因此，兩筒體軸線的夾角α以90°為最佳，由于折彎圓洞內的水流速度高，因此可以保證直角轉彎具有很高的消能率。
文檔編號E02B9/06GK1888321SQ200610021520
公開日2007年1月3日 申請日期2006年8月3日 優先權日2006年8月3日
發明者劉善均, 許唯臨, 王韋, 曲景學, 田忠, 張建民, 鄧軍 申請人:四川大學