[發明專利]一種水平旋流泄洪洞起旋器體型設計方法

有效

• 申請號: 201711356359.2
• 申請日: 2017-12-16
• 公開（公告）號: CN108035322B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 牛爭鳴;李奇龍;李一川;唐秋明;龍建
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: E02B8/06
• 分類號: E02B8/06
• 代理公司: 61214 西安弘理專利事務所
• 代理人: 蔣姝泓

本發明公開了一種水平旋流泄洪洞起旋器體型設計方法，根據空腔旋轉流條件下，起旋器的尺寸與起旋器的孔口壓強p₁的關系，以及上游水位H、下游水位h和起旋器孔口面積收縮比n引起的Fr²，上下游水位差(H?h)/h，通氣孔相對直徑變化D₀/D，旋流阻塞孔口面積比m與p₁之間的聯系，確定起旋器孔口的尺寸。該設計方法簡單有效，可以保證依據本發明得到的起旋器滿足在設計水頭和泄流量范圍內水平旋流泄洪洞中具有穩定的流態，填補了現行規范中沒有具體的關于空腔旋流條件下起旋器設計方法的空白。

技術領域

本發明屬于泄洪消能設施裝置技術領域，具體涉及了一種水平旋流泄洪洞起旋器體型設計方法。

背景技術

隨著大型水電站的建設越來越多，其泄洪洞普遍具有“高水頭，大泄量”的泄洪特點，傳統的洞外消能型泄洪洞已很難適用。水平旋流式消能是在泄洪洞內設置的起旋裝置，使水流在洞內發生旋轉進行消能，是一種較新型的泄洪消能設施，具有進口布置設計靈活、消能率高、空蝕空化可能性小、出口霧化小和下游河道沖刷輕等特點。

水平旋流泄洪洞起旋器，安裝在豎井末端，包括與豎井銜接的過渡段，兩側收縮曲線或直線段，連接豎井與水平旋流泄洪洞(各部位基本體型如圖1 所示)，是水平旋流泄洪洞旋轉流的旋流發生器，是水平旋流泄洪洞最重要的構成部分。起旋器體型決定水平旋流泄洪洞內的流態與穩定性、泄流量的大小、旋流洞壁面壓強、消能率的大小和旋流洞內是否會發生空化空蝕，設計起旋器時，需要考慮起旋器孔口的面積、孔口面積收縮率和寬高比，通氣孔的位置和直徑4個方面。而本專利主要是對起旋器孔口面積進行設計。

由于起旋器出口后的水流，由豎向的有壓流，迅速轉變為水平洞內的空腔旋轉流，導致能量與動量急劇轉變與調整，存在較大的能量損失，并因各種因素變化導致的旋流洞內離心力變化和起旋器孔口處壓強變化，泄流量與相關水力特性均會反生變化，因此與現有的有壓孔口體型的設計方法不同。目前雖有一些關于水平旋流泄洪洞水力特性的研究，但目前無任何設計規范與設計方法可以進行這種水平旋流泄洪洞起旋器的體型設計，而傳統起旋器的體型是通過模型試驗不斷優化得到較合理的體型。所以本發明是總結發明者多年的試驗研究成果并進行理論分析，最后得出水平旋流泄洪洞起旋器的經驗設計方法，這也是對水平旋流泄洪洞進行更深入的研究。

發明內容

本發明的目的是提供一種水平旋流泄洪洞起旋器體型設計方法，解決了現有技術中還沒有具體的關于水平旋流起旋器設計方法問題。

本發明所采用的技術方案是，一種水平旋流泄洪洞起旋器體型設計方法，根據給定的作用水頭大小分為兩種設計方法，步驟如下：

(1)當作用水頭H＜70時，

步驟1.1，假定起旋器孔口面積為A_j，根據下式計算起旋器孔口斷面的水流傅汝德數Fr，其中，Q為設計流量，h為下游水位；

步驟1.2，假定豎井直徑為D，當h/D<0.5時，根據公式p₁/ρgH ＝0.7257Fr²-0.2571，由Fr計算起旋器孔口的壓強p¹/pgH；當h/D>0.5時，根據公式p₁/ρgH＝1.2309[(H-h)/h]^-0.369計算p₁/ρgH；

步驟1.3，根據下式計算起旋器孔口的流量系數μ₁，其中μ為有壓孔口自由出流的流量系數，介于0.95～0.98之間；

再根據μ₁和公式計算起旋器孔口的孔口面積A₁；