双涡室掺气型漩流竖井 【技术领域】
本发明属于水利水电工程中使用的消能设施——漩流竖井，特别涉及一种适用于高水头大流量的掺气型漩流竖井。
背景技术
工程实践表明，在大流量和高水头工况下，漩流竖井消能工存在以下问题：1)竖井中流速过高，壁面发生空化空蚀的风险增加；2)由于水流离心力的作用，采用传统的环形掺气坎掺气变得很困难，无法起到掺气减蚀的作用。
公开号为CN 101294377A的专利申请提供了一种设置有掺气坎的漩流竖井，所述掺气坎设置在竖井中下段壁面，由与泄洪洞上平段相接后的竖井中部逐渐收缩至中下部壁面突扩形成。此种结构的漩流竖井与设置传统环形掺气坎的漩流竖井相比，虽然能改善水流的掺气状况，使下游近壁水层成为掺气水流，减轻竖井中下部过流面的空蚀破坏，但在大流量、高水头工况下，仍然难以使竖井内充分掺气，保证水流平稳下泄。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双涡室掺气型漩流竖井，以解决大流量、高水头工况下漩流竖井出现空腔封闭致使壁面掺气不足的问题，从而使水流平稳下泄，消除竖井壁面的空化空蚀破坏。
本发明所述双涡室掺气型漩流竖井，包括上涡室及其下部的收缩段I、掺气型下涡室及其下部的收缩段II、通气管和竖井段，上涡室下部的收缩段I接掺气型下涡室，掺气型下涡室下部的收缩段II接竖井段，通气管的一端与大气相通，通气管的另一端接掺气型下涡室顶部，使空气从掺气型下涡室顶部进入竖井。
通过实验，本发明所述双涡室掺气型漩流竖井优选以下结构参数：
1、上涡室直径D1根据进入竖井的水流流量确定，掺气型下涡室直径D2≥上涡室直径D1。
2、上涡室的长度L1＝2.0D1～3.0D1，收缩段I的长度L2与上涡室的长度L1之比为1∶2～1∶1，收缩段I(3)的坡度i1为1∶10～1∶15，所述D1为上涡室的直径。
3、掺气型下涡室的长度L3＝0.4D2～1.0D2，收缩段II的长度L4与掺气型下涡室的长度L3之比为2∶1～4∶1，收缩段II坡度i2为1∶10～1∶15，所述D2为掺气型下涡室的直径。
本发明具有以下有益效果：
1、由于在上涡室下部的收缩段I下方设置了掺气型下涡室，使空气从掺气型下涡室顶部进入竖井，因而在大流量、高水头工况下掺气效果明显，水气混合充分，水流的含气量大幅度增加，水流流态稳定，消除了竖井壁面的空化空蚀破坏，保证了竖井、泄洪洞的安全运行。
2、结构参数的优化，保证了本发明所述双涡室掺气型漩流竖井的掺气减蚀效果的稳定性。
【附图说明】
图1是本发明所述双涡室掺气型漩流竖井的结构示意图(从图2的VI-VI处剖视)；
图2是图1的俯视图，表明了本发明所述双涡室掺气型漩流竖井与引渠及压坡段、泄洪洞的连接关系；
图3是图1的I-I剖面图，该剖面为上涡室的剖面；
图4是图1的II-II剖面图，该剖面为掺气型下涡室的剖面；
图5是图1的III-III剖面图，该剖面为竖井段的剖面；
图6是图1的IV-IV剖面图，该剖面为压坡段的剖面；
图7是图1的V-V剖面图，该剖面为泄洪洞的剖面。
图中，1-引渠，2-上涡室，3-收缩段I、4-通气管、5-掺气型下涡室、6-收缩段II、7-竖井段、8-反弧段、9-压坡段、10-泄洪洞、D1-上涡室直径、D2-掺气型下涡室直径、D3-竖井段直径、L1-上涡室的长度、L2-收缩段I的长度、i1-收缩段I的坡度、L3-收缩型下涡室的长度、L4-收缩段II的长度、i2-收缩段II地坡度、L5-竖井段长度、L6-竖井底板至下游连接段高度、L7-压坡段长度、i3-压坡段坡度、R-反弧段半径、B-泄洪洞宽度、H-泄洪洞高度。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明所述双涡室掺气型漩流竖井的结构作进一步说明。下述各实施例中的的双涡室掺气型漩流竖井根据某水电站枢纽工程的泄洪洞设计，所述泄洪洞采用竖井旋流内消能型式，竖井泄洪洞底板高程2690m，顶部高程2852m，引渠的水流流速V＝12～20m/s。
实施例1
本实施例中，双涡室掺气型漩流竖井的结构如图1、图2所示，包括上涡室2及其下部的收缩段I 3、掺气型下涡室5及其下部的收缩段II 6、竖井段7和通气管4。上涡室下部的收缩段I 3接掺气型下涡室5，掺气型下涡室下部的收缩段II 6接竖井段7，通气管4为两根，对称安装在上涡室及其下部的收缩段I外壁，它们的一端与大气相通，它们的另一端接掺气型下涡室顶部。上涡室2与引渠1相接，其相接位置是使引渠中的水流从上涡室切向进入竖井；竖井段7下部通过反弧段8、压坡段9与泄洪洞10接通。
本实施例中，进入竖井的水流流量为400m3/s，所述双涡室掺气型漩流竖井的有关结构参数如下：
上涡室2的横截面如图3所示，其直径D1为10m，其长度L1为30m；上涡室下部收缩段I 3的长度L2为15m，坡度i1为1∶10；掺气型下涡室5的横截面如图4所示，其直径D2为10m，长度L3为5m；掺气型下涡室下部收缩段II6的长度L4为20m，坡度i2为1∶15；竖井段7的横截面如图5所示，其直径D3为7m，其长度L5为92m，竖井底板至下游连接段高度L6为10m；反弧段8的半径R为15m；压坡段9的横截面如图6所示，其长度L7为35m，坡度i3为1∶15；泄洪洞10的横截面如图7所示，其宽度B为5m，其高度H为7m。
实施例2
本实施例中，双涡室掺气型漩流竖井的结构如图1、图2所示，其构件和各构件的连接方位与实施例1相同，与实施例1不同之处是进入竖井的水流流量为600m3/s，因而改变了结构参数，本实施例所述双涡室掺气型漩流竖井的有关结构参数如下：
上涡室2的横截面如图3所示，其直径D1为12m，其长度L1为24m；上涡室下部收缩段I 3的长度L2为24m，坡度i1为1∶12；掺气型下涡室5的横截面如图4所示，其直径D2为14m，长度L3为12m；掺气型下涡室下部收缩段II 6的长度L4为30m，坡度i2为1∶10；竖井段7的横截面如图5所示，其直径D3为8m，其长度L5为72m，竖井底板至下游连接段高度L6为10m；反弧段8的半径R为20m；压坡段9的横截面如图6所示，其长度L7为30m，坡度i3为1∶10；泄洪洞10的横截面如图7所示，其宽度B为5m，其高度H为7m。