一种水平旋流泄洪洞起旋器体型设计方法

摘要

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p

说明书

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>2-0.2571，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；

步骤1.4，比较孔口面积的假定值A_j和计算值A₁的差异，若误差在可接受范围内，则计算值A₁即为起旋器孔口尺寸；若误差超出可接受范围，则修正孔口面积的假定值A_j，然后重复步骤1.1-1.3，直至A_j和A₁的误差在可接受范围内，取最终计算的A₁为起旋器孔口尺寸；

步骤1.5，确定起旋器面积收缩比；

(2)当作用水头H＞70时，

步骤2.1，由计算公式Ф[2g(H-p₁/pg)]^1/2<35m/s确定起旋器孔口的压强>1/pgH的设计值；其中Ф为流速系数；

步骤2.2，依据公式p₁/ρgH＝-0.5002Fr²+0.2918由起旋器孔口的压强p₁/pgH>1，确定起旋器孔口的流量系数μ₁；

步骤2.3，依据设计流量Q、设计水头H和流量系数μ₁，由公式计算起旋器孔口的孔口面积A₁；

步骤2.4，确定起旋器面积收缩比。

本发明的特点还在于：

进一步的，步骤1.4所述假定值A_j和计算值A₁差值可接受的范围是不超过1％。

进一步的，步骤1.4所述孔口面积的假定值的修正采用线性差值法修正。

进一步的，步骤2.1所述流速系数Ф取0.95。

进一步的，所述起旋器面积收缩比n的确定方法是，根据n＝1-A_q/A_V计算起旋器孔口的面积收缩比n，若n不满足0.35<n<0.55时，通过改变竖井的洞径进行调节，使其满足0.35<n<0.55。

本发明水平旋流泄洪洞起旋器体型设计方法的有益效果是，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。

附图说明

图1是本发明起旋器结构示意图；

图2是本发明水平旋流泄洪洞试验模型的结构示意图；

图3是不同H时p₁/ρgH随Fr²的变化关系图；

图4是p₁/ρgH随相对上下游水位差(H-h)/h的变化关系图；

图5是不同m时p₁/ρgH随Fr²的变化规律图。

图2中，1.引水段、2.竖井、3.起旋器、4.通气孔、5.旋流洞、6.旋流阻塞段，7.旋流扩散段，8.退水洞。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

本发明的水平旋流泄洪洞起旋器体型设计方法重点在于起旋器孔口尺寸的确定。发明人设计了如图2所示的水平旋流泄洪洞试验模型，该模型包括引水段1、竖井2、起旋器3、通气孔4、旋流洞5、旋流阻塞段6，旋流扩散段7，退水洞8。所述竖井2顶端连通引水段1的开敞式进口，所述竖井2底端连通所述起旋器3，所述起旋器3侧部设有所述通气孔4，所述起旋器3后连通所述旋流洞5，所述旋流洞5后连通所述旋流阻塞段6，所述所述旋流阻塞后连通旋流扩散段7，旋流扩散段7后连通所述退水洞8。

发明人发现，在空腔旋转流条件下，起旋器的尺寸与起旋器的孔口压强>1有关，而上游水位H、下游水位h和起旋器孔口面积收缩比n、上下游水位差(H-h)/h、旋流阻塞孔口面积比m与p₁存在必然联系。起旋器孔口面积收缩比n定义为起旋器孔口面积A_q与竖井过流面积A_s的相对减小值，即：>q/A_V，A_q、A_V分别为起旋器喉口与竖井洞截面面积。m定义为水平旋流洞面积A_D与旋流阻塞孔口过流面积A_z的相对减小值，即：m＝1-A_z/A_L，A_z、A_L分别为阻塞孔口和旋流洞截面面积。

图3至图5反映了P与各个影响因素之间的关系。其中，图3反映了当下游水位较低，即h/D<0.5时(D为竖井直径)上游水位变化H与起旋器孔口面积的变化会直接导致Fr的变化，不同上游水位与起旋器孔口面积收缩比n 时p₁/ρgH随Fr²的变化符合线性关系p₁/ρgH＝0.7257Fr²-0.2571；图4反映了当下游水位变化较大，h/D>0.5时，下游水位h产生的压力顶托会使Fr减小，离心力减小，但因为下游水位对旋流洞内的水力特性产生的影响是相对的，因此下游水位变化对p₁的影响可以体现在p₁/ρgH随相对上下游水位差(H-h)/h的变化，当(H-h)/h<6时，p₁/ρgH和(H-h)/h符合公式p₁/ρgH＝1.2309[(H-h)/h]^-0.369，当(H-h)/h>6时，p₁/ρgH的值基本恒定。图5体现了不同旋流阻塞孔口面积比>1/ρgH随Fr²的变化是p₁/ρgH＝-0.5002Fr²+0.2918。依据这些关系，即可确定起旋器孔口的尺寸。

起旋器孔口尺寸的确定方法根据作用水头H的大小分为两种。起旋器作用水头H小于70m时，起旋器出口后旋流洞内的流速一般小于35m/s，旋流洞内的最小水流空化数大于0.3，旋流洞内部不会发生空化，因此一般无需在水平旋流洞的末端设置旋流阻塞或仅设置m非常小的旋流阻塞，下游水位较大变化引起的流态变化和水力特性变化对竖井和水平旋流洞的结构无害，因此起旋器孔口尺寸的设计，仅需按保证泄流量，满足孔口的宽高比和孔口面积收缩比条件即可。当起旋器作用水头H大于70m时，起旋器出口的流速一般大于35m/s，特别是当H大于90m后，起旋器出口的流速一般会大于40m/s，旋流洞内的最小水流空化数可能会小于0.3，就可能会出现空化空蚀，因此需在水平旋流洞的末端设置旋流阻塞，按旋流洞段增压减速，旋流洞段与旋流扩散段分段消能的设计思想设计水平旋流泄洪洞起旋器的体型。

一、H小于70时

步骤1，给定作用水头H、下游水位h、设计流量Q；

步骤2，当下游水位变化较大时h/D<0.5时，需假定起旋器孔口面积为 A_j，根据公式计算起旋器孔口断面的水流傅汝德数Fr，依据图3的线性关系p₁/ρgH＝0.7257Fr²-0.2571，由Fr确定p₁/ρgH；当下游水位变化较大即>1/ρgH＝1.2309[(H-h)/h]^-0.369，确定p₁/ρgH。

步骤3，根据公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和公式计算孔口面积A₁；

步骤4，比较孔口面积的假定值A_j和计算值A₁的差异，通过线性差值修正孔口面积的假定值，使孔口面积的假定值和计算值的接近(工程应用中，误差允许在1％内)，修正后的孔口面积的假定值即为最终设计好的孔口尺寸。

步骤5，确定合理的起旋器面积收缩比。在起旋器孔口的面积收缩比n既不能太大，否则泄流量不能满足，也不能太小，否则不能保证水平旋流洞内正常起旋、流动稳定和良好的切向如流的条件。一般应保证0.35<n<0.55，不满足时，需要通过改变竖井的洞径进行调节。

二、H大于70时

步骤1，按证旋流洞内不发生空化空蚀的设计要求，由计算公式V＝Ф[2g(H-p₁/ρg)]^1/2<35m/s确定起旋器孔口的压强p₁/ρgH的设计值。其中H>

步骤2，依据图5的线性关系p₁/ρgH＝-0.5002Fr²+0.2918，由起旋器孔口的压强p₁/ρgH的设计值确定Fr，由Fr＝1.414μ₁，确定流量系数μ₁；

步骤3，依据设计流量、设计水头和流量系数μ₁由公式计算起旋器孔口的孔口面积A₁；

步骤4，由起旋器孔口的孔口面积A₁，按合理的起旋器面积收缩比要求，确定合理的宽高比。此外与不设置旋流阻塞时相比，因为需要满足泄流量的要求，孔口尺寸增大，又要满足宽高比和起旋器面积收缩比的要求，所以竖井洞径和旋流洞的洞径都需要适当的增大

下面给出具体实施例进行说明。

实施例一：起旋器作用水头H小于70m时

a、假定作用水头65m，下游水位为5m，设计流量为1000m³/s，假定竖井直径D＝10m；

b、由于h/D＝0.5，需假定起旋器孔口面积为A_j＝35.325，根据公式计算起旋器孔口断面的水流傅汝德数Fr＝1.122；

c、依据图3的线性关系p₁/ρgH＝0.7257Fr²-0.2571，由Fr确定p₁/pgH>

d、根据公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，取μ＝0.95，算出μ₁＝0.55，再根据μ₁和公式计算孔口面积A₁＝50.94m²。由于计算出的面积与假定面积值相差较大，需进一步修正。利用线性插值法，取50.94和35.325>2。43.12与36.38之间仍存在较大误差，取43.12>2，39.76>2；

e、起旋器孔口的面积收缩比n既不能太大，否则泄流量不能满足，也不能太小，否则不能保证水平旋流洞内正常起旋、流动稳定和良好的切向如流的条件。一般应保证0.35<n<0.55，竖井直径10m，当取设计的旋器孔口面积为40m²，根据n＝1-A_q/A_V算得n＝0.5。

，实施例二：起旋器作用水头H小于70m时

a、假定作用水头65m，下游水位为8m，设计流量为1000m³/s，假定竖井段直径D＝12m；

b、h/D＝0.67>0.5，(H-h)/h＝7.125，依据图4的关系当(H-h)/h>6时，>1/ρgH为定值，p₁/ρgH＝0.71；

c、根据公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，取μ＝0.95，算出μ₁＝0.51，再根据μ₁和公式计算孔口面积A₁＝54.9m²；

d、起旋器孔口的面积收缩比n既不能太大，否则泄流量不能满足，也不能太小，否则不能保证水平旋流洞内正常起旋、流动稳定和良好的切向如流的条件。一般应保证0.35<n<0.55，竖井段直径为12m，当取设计的旋器孔口面积为54.9m²，根据n＝1-A_q/A_V算得n＝0.51。

实施例三：起旋器作用水头H大于70m时

a、假定作用水头为H＝80m，下游数位h＝8m，设计流量为Q＝1000m³/s。假定起旋器出口流速为35m/s，由公式V＝Ф[2g(H-p₁/ρg)]^1/2<35m/s，其中Ф为体现竖井段摩阻特性的流速系数取0.95，计算出p₁/ρgH的值为0.13。

b、依据图5的方程p₁/ρgH＝-0.5002Fr²+0.2918，由起旋器孔口的压强p₁/ρgH>1求得μ₁为0.4；

c、依据设计流量、设计水头和流量系数μ₁由公式计算起旋器孔口的孔口面积A₁为70m²；

d、起旋器孔口的面积收缩比n既不能太大，否则泄流量不能满足，也不能太小，否则不能保证水平旋流洞内正常起旋、流动稳定和良好的切向如流的条件。一般应保证0.35<n<0.55，假定竖井段直径为12m，当取设计的旋器孔口面积为70m²，根据n＝1-A_q/A_V算得n＝0.38。