水电站进水口的消涡装置及消涡调节方法

摘要

一种水电站进水口的消涡装置及消涡调节方法，它包括固定臂、导轨、连杆机构和消涡旋翼，通过在水电站进水口的第一层和第二层的两根联系梁之间设置该装置，通过固定臂与水电站基础连接固定，通过连杆机构绕导轨旋转，通过消涡旋翼绕连杆机构，位于同一根导轨上的两个消涡旋翼的旋转方向相反，在不影响分层取水、提高下泄水温的前提下，有效消除水电站进水口附近复合涡旋结构，降低进水管水流紊动，保证发电机组的安全运行，有利于优化消涡装置的工作时间和工作强度，降低水电站的水头损失。

说明书

技术领域

本发明属于水电站消涡技术领域，涉及一种水电站进水口的消涡装置及消涡调节方法。

背景技术

水库建成蓄水后，水流流速降低，水体掺混减弱，往往形成垂向分层的水温结构。底层低温缺氧水体通过发电机组进水口排入下游，将对水库下游的生态环境造成不利影响。叠梁门作为一种分层取水的工程设施，能够有效地改善下泄水温偏低的问题，已被广泛应用于大中型水电站工程实例中.

叠梁门一般位于拦污栅备用门槽内，在进水口前方形成类虹吸结构，阻挡底层低温水体直接进入机组流向下流，摄取中上层高温水流灌入进水管道，以提高水库整体的下泄水温。

叠梁门的存在改变了原有的水流结构，在通仓区域范围内形成了典型的非恒定流状态。首先，叠梁门门顶附近的水流由水平流动转化为垂直流动，在叠梁门后方形成强烈的横轴涡旋结构；其次，通仓区域内部的垂直流动诱发水面波动，波动能量以立轴漩涡的型式向下传播；再次，进水口附近水流从垂直流动再次转化为水平流动，在管道上沿形成局部流向漩涡。复杂的涡旋流场将导致进水管道内的水流过程紊乱，不利于发电机组的稳定运行，因此，有必要采用一定的消涡措施对进口水流进行处理。

水电站常用的消涡措施，仅针对常规进水口的立轴漩涡(专利CN107642072A)，采用的大尺寸叶片结构将增加水头损失(专利CN107217651A)，并不适用于叠梁门影响下的复杂涡旋流场。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水电站进水口的消涡装置及消涡调节方法，针对现有消涡技术无法适用于含叠梁门结构的大中型水电站的问题，采用在水电站进水口设置消涡装置，在不改变叠梁门分层取水和保证下泄水温效果的前提下，消除水流波动，降低水头损失。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种水电站进水口的消涡装置，它包括固定臂、导轨、连杆机构和消涡旋翼；所述导轨的两端与固定臂连接，连杆机构的球形轴承与导轨配合，消涡旋翼与连杆机构的连杆一端连接，连杆的另一端与球形轴承连接；所述球形轴承绕导轨径向旋转带动消涡旋翼旋转，消涡旋翼的叶片绕连杆旋转。

所述连杆机构包括与球形轴承连接的连杆，位于球形轴承上与连杆的连接处设置过线孔。

所述消涡旋翼包括与消涡电机输出端连接的多个呈放射状的叶片。

所述叶片远离消涡电机的一端设置球体。

所述固定臂、导轨和连杆为中空的杆体结构，其腔体相互联通，消涡电机位于连杆内。

所述消涡旋翼的数量为两个。

两个所述的消涡旋翼的旋转方向相反。

所述导轨上设置测速仪。

如上所述的水电站进水口的消涡装置的消涡调节方法，包括如下步骤：

S1，将两组该装置的固定臂水平安装在水电站进水口的第一层和第二层的两根联系梁之间；

S2，导轨上的测速仪实时监测水电站进水口附近的瞬时流速，包括纵向流速U

S3，根据实测数据计算的三维涡旋强度指标Q准则，用以量化局部流场的紊动强度；

S4，设定三维漩涡强度Q准则的强度阈值Q

S5，针对水电站进水口附近流向漩涡、横向漩涡和垂向漩涡并存的复杂流态，通过测量的瞬时流速计算水电站进水口附近流场的三向涡量ω

S6，S3中，三维漩涡强度Q是一个表征局部旋转率与拉伸率相对大小的量，Q准则的表达式为：

式中：Ω和S分别表征流体的旋转张量和应变率张量；

S7，S4中，当且仅当Q>Q

n＝k

式中，参数k

S8，S5中，水平迎角θ和垂向迎角

式中，ω

一种水电站进水口的消涡装置及消涡调节方法，它包括固定臂、导轨、连杆机构和消涡旋翼，通过在水电站进水口的第一层和第二层的两根联系梁之间设置该装置，通过固定臂与水电站基础连接固定，通过连杆机构绕导轨旋转，通过消涡旋翼绕连杆机构，位于同一根导轨上的两个消涡旋翼的旋转方向相反，在不影响分层取水、提高下泄水温的前提下，有效消除水电站进水口附近复合涡旋结构，降低进水管水流紊动，保证发电机组的安全运行，有利于优化消涡装置的工作时间和工作强度，降低水电站的水头损失。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的主视示意图。

图3为本发明的使用状态图。

图4为图3的主视示意图。

图5为图3的侧视示意图。

图6为本发明导轨与导电滑环配合的结构示意图。

图7为本发明使用消涡旋翼前的Q–T图。

图8为本发明使用消涡旋翼后的Q–T图。

图中：固定臂1，导轨2，连杆机构3，球形轴承31，连杆32，过线孔33，消涡旋翼4，消涡电机41，叶片42，球体43。

具体实施方式

如图1～图8中，一种水电站进水口的消涡装置，它包括固定臂1、导轨2、连杆机构3和消涡旋翼4；所述导轨2的两端与固定臂1连接，连杆机构3的球形轴承31与导轨2配合，消涡旋翼4与连杆机构3的连杆32一端连接，连杆32的另一端与球形轴承31连接；所述球形轴承31绕导轨2径向旋转带动消涡旋翼4旋转，消涡旋翼4的叶片42绕连杆32旋转。结构简单，通过在水电站进水口的第一层和第二层的两根联系梁之间设置该装置，通过固定臂1与水电站基础连接固定，通过连杆机构3绕导轨2旋转，通过消涡旋翼4绕连杆机构3，位于同一根导轨2上的两个消涡旋翼4的旋转方向相反，在不影响分层取水、提高下泄水温的前提下，有效消除水电站进水口附近复合涡旋结构，降低进水管水流紊动，保证发电机组的安全运行，有利于优化消涡装置的工作时间和工作强度，降低水电站的水头损失。

优选的方案中，所述连杆机构3包括与球形轴承31连接的连杆32，位于球形轴承31上与连杆32的连接处设置过线孔33。结构简单，使用时，两根固定臂1与水电站基础连接，导轨2位于两根固定臂1之间被固定，球形轴承31与导轨2配合，当水流经过消涡旋翼4时冲击消涡旋翼4，消涡旋翼4带动与连杆32连接的球形轴承31绕导轨2旋转。

优选地，位于球形轴承31上与连杆32的连接处设置过线孔33用于穿过消涡电机41的导线。

优选的方案中，所述消涡旋翼4包括与消涡电机41输出端连接的多个呈放射状的叶片42。结构简单，使用时，呈放射状布设的多个叶片42在水流的冲击下，其受力均衡，承受冲击力的强度高，有利于驱动连杆32带动球形轴承31绕导轨2旋转。

优选的方案中，所述叶片42远离消涡电机41的一端设置球体43。结构简单，使用时，位于叶片42一端设置的置球体43有利于加速能量耗散，产生尖端漩涡。

优选的方案中，所述固定臂1、导轨2和连杆32为中空的杆体结构，其腔体相互联通，消涡电机41位于连杆32内。结构简单，使用时，供电线路和控制线路埋设于联系梁内，依次穿过固定臂1、导轨2和连杆32与消涡电机41连接。

优选地，位于导轨2内设置导电滑环，在导轨2与球形轴承31的配合处设置环形槽，供电线路和控制线路穿过环形槽和过线孔33进入连杆32内与消涡电机41连接，避免供电线路和控制线路在球形轴承31旋转时发生纠缠。

优选的方案中，所述消涡旋翼4的数量为两个。结构简单，使用时，位于导轨2上的消涡旋翼4的数量为两个，相互对称布设，有利于扩大消涡范围的同时不影响分层取水和提高下泄水温。

优选的方案中，两个所述的消涡旋翼4的旋转方向相反。结构简单，使用时，两个消涡旋翼4的旋转方向相反，有利于提高消涡的效率。

优选的方案中，所述导轨2上设置测速仪。使用时，导轨(2)上设的测速仪用于监测水电站进水口附近的三向紊动流速。

优选的方案中，如上所述的水电站进水口的消涡装置的消涡调节方法，包括如下步骤：

S1，将两组该装置的固定臂1水平安装在水电站进水口的第一层和第二层的两根联系梁之间；

S2，导轨2上的测速仪实时监测水电站进水口附近的瞬时流速，包括纵向流速U

S3，根据实测数据计算的三维涡旋强度指标Q准则，用以量化局部流场的紊动强度；

S4，设定三维漩涡强度Q准则的强度阈值Q

S5，针对水电站进水口附近流向漩涡、横向漩涡和垂向漩涡并存的复杂流态，通过测量的瞬时流速计算水电站进水口附近流场的三向涡量ω

S6，S3中，三维漩涡强度Q是一个表征局部旋转率与拉伸率相对大小的量，Q准则的表达式为：

式中：Ω和S分别表征流体的旋转张量和应变率张量；

S7，S4中，当且仅当Q>Q

n＝k

式中，参数k

S8，S5中，水平迎角θ和垂向迎角

式中，ω

优选地，以大型分层取水电站现场试验为例，进水室内共包含4个进水口，面向下游自右至左依次编为1#～4#，每台机组对应的流道分别由5条通道组成；进水室总宽14.5m，长75m，通仓区域宽6.8m。水库水流进入进水室内，通过拦污栅断面，翻过叠梁门进入下游尾水管，叠梁门自进水口底板高31.5m，叠梁门门顶水头为29.5m，拦污栅与叠梁门间距2.8m；通过15m长的渐变段，尾水管由7.5m×11.5m的矩形断面渐变成直径为10m的圆形断面。电站总装机容量为1900MW即4×475MW，单机引水流量为409m

联系梁是连接拦污栅、叠梁门和进口面的结构梁。单个进水口有3层联系梁,自下而上分别是第1层，第2层和第3层。每层有4根联系梁。联系梁的截面为长方形，尺寸为2m×1m，联系梁的长度为7m，每层中间2个联系梁间距为20米。供电线路和控制线路预埋在联系梁里。

在第1层和第2层进水口附近的2根联系梁中间中设置导轨2，导轨2为圆柱体结构，导轨2的长度为8m，与2根联系梁的间距等长。截面圆形直径为10cm，材料为不锈钢材料，具有抗腐蚀，抗老化的特性。

在导轨2上设置测速仪，用于监测进水口附近的三向紊动流速。

连杆机构3通过球形轴承31连接导轨2和消涡旋翼4，连杆机构3安装在导轨2上。连杆机构3为圆柱体结构，连杆机构3长度为50cm，垂直于水面方向，截面半径为5cm，1cm的壁厚。内部装置为消涡旋翼4提供动力支撑，结构采用不锈钢材料，具有抗冲击碰撞，抗强压，抗腐蚀，抗老化等特性。

消涡旋翼4安装在连杆机构3上，动力支撑由连杆32的内部结构提供，消涡旋翼4的4个叶片沿轴线对称布置，叶片角度为90°。叶片的长度为4m，每个消涡旋翼4顶部的球体的半径为0.6m。

导轨2设置的测速仪用于监测进水口附近的流速，每组观测数据包括测点水深h、纵向流速U

根据实时监测的数据计算漩涡强度Q来识别涡结构根据实测数据计算的三维涡旋强度指标Q，用以量化局部流场的紊动强度。

当Q>Q

每分钟转速n与三维漩涡强度Q准则呈正比：

n＝k

式中，参数k

导轨2中设有两个连杆机构3，为进一步加速能量的耗散，将大尺度旋涡打散为小尺度旋涡，两连杆机构3上消涡旋翼4的旋转方向是相反的，同一导轨上的消涡旋翼4旋转方向一个为顺时针，一个为逆时针。

来针对电站进水口的水流流态过于极端，过于复杂，会出现垂向漩涡，横向漩涡，流向漩涡的复杂情况，通过测量的瞬时流速计算进水口近流场的三向涡量ω

通过ω

使用消涡旋翼4前后的Q—T图中，进水口水流紊动减小，水流平顺，漩涡尺度明显减小，消涡效果显著，提高发电效率同时并且保证了机组运行安全。

如上所述的水电站进水口的消涡装置及消涡调节方法，安装使用时，在水电站进水口的第一层和第二层的两根联系梁之间设置该装置，固定臂1与水电站基础连接固定，连杆机构3绕导轨2旋转，消涡旋翼4绕连杆机构3，位于同一根导轨2上的两个消涡旋翼4的旋转方向相反，在不影响分层取水、提高下泄水温的前提下，有效消除水电站进水口附近复合涡旋结构，降低进水管水流紊动，保证发电机组的安全运行，有利于优化消涡装置的工作时间和工作强度，降低水电站的水头损失。

使用时，两根固定臂1与水电站基础连接，导轨2位于两根固定臂1之间被固定，球形轴承31与导轨2配合，当水流经过消涡旋翼4时冲击消涡旋翼4，消涡旋翼4带动与连杆32连接的球形轴承31绕导轨2旋转。

使用时，呈放射状布设的多个叶片42在水流的冲击下，其受力均衡，承受冲击力的强度高，有利于驱动连杆32带动球形轴承31绕导轨2旋转。

使用时，位于叶片42一端设置的置球体43有利于加速能量耗散，产生尖端漩涡。

使用时，供电线路和控制线路埋设于联系梁内，依次穿过固定臂1、导轨2和连杆32与消涡电机41连接。

使用时，位于导轨2上的消涡旋翼4的数量为两个，相互对称布设，有利于扩大消涡范围的同时不影响分层取水和提高下泄水温。

使用时，两个消涡旋翼4的旋转方向相反，有利于提高消涡的效率。

使用时，导轨2上设的测速仪用于监测水电站进水口附近的三向紊动流速。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。