消能箱
技术领域
本发明涉及一种水利水电工程设备，具体涉及一种用于水利水电工程的消能 箱。
背景技术
近年来，为了有效解决水资源时空分布不均问题，更加合理地配置水资源， 大量的水利工程因运而生。在这些水利工程中，通常都是借助加压水泵给水体加 压，使之到达目的地。但很多时候高速水流在到达目的地时还携带着巨大的能量， 为了保护下库建筑物，必须在水体到达下库前消掉多余能量。消能的思路是将高 速水流的动能快速安全地扩散，使其能平稳地流向下库。
消能过程中很容易出现负压过大问题，同时还伴随着掺气现象，且绝大部分 的水利工程为了防止并避免下泄的水流对流道的冲刷，更多的是采用挑流消能， 但是这些工程的消力池成本高。现在工程中常用的消能箱是主要由折式消力板、 消能隔墙、消能底坎等构成的，但这种消能箱通常在前部分会形成很大的负压， 消能时振动大，容易对结构造成破坏，且该种消能箱只能消去固定范围内的能量， 适应性不强。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种消能箱，该消能箱能 够克服消能过程中负压过大以及适应性不强的缺点，实现自适应消能。
技术方案：本发明所述的一种消能箱，包括依次连通的进水口、多个消能流 路、储流平流层、落水槽、储水池和出水口，所述多个消能流路自上至下依次堆 叠；所述消能流路包括依次连通的多个流道，相邻两个所述流道的延伸方向不同； 相邻的两层所述消能流路中，下层消能流路的每个流道均一一对应的设置在上层 消能流路的流道下方，且下层消能流路的每个流道的顶面均设置有连通上层流道 的消能网孔和/或消能栅条；顶层的所述消能流路与所述进水口连通，且该消能 流路尾部的流道与下一层消能流路尾部的流道在末端位置上下连通，该连通处设 置有消能梯，所述消能梯自该顶层消能流路沿着流路方向呈阶梯状向前向下延伸 至该下一层消能流路尾部的流道末端，该下一层消能流路中在所述消能梯的后方 设置有消能坎；所述储流平流层呈敞口式设置在底层的消能流路的下方，底层的 消能流路的各个流道的底面均设置有消能网孔和/或消能栅条，用以将水流引入 储流平流层；储流平流层将水流引入下方的落水槽内，并通过落水槽引入储水池 后，从出水口流出。
其中，顶层的所述消能流路的流道中设置有消能坎和/或消能隔板，所述消能 坎自流道的底面向上凸起，所述消能隔板将流道的竖向截面分割成格栅状。通过 设置消能隔板、消能坎，改变水流流态，分散水流，消去部分能量，配合消能网 孔，增加水流从消能网孔进入下一层的概率，同时使能量越大的水流流过的消能 结构越多，实现自适应消能。
进一步的，顶层的所述消能流路中，当流道中设置消能网孔时，沿着流路方 向靠后的流道的消能网孔较靠前的流道的消能网孔小。消能网孔孔径的变化是为 了小能量水流尽量从前段更大孔径消能网孔落入下一层，更大能量的水流则被削 去更多能量从小孔径消能网孔落入下一层，自动调节消除能量。
进一步的，顶层的所述消能流路中，当流道中设置消能网孔和消能坎时，沿 着流路方向位于消能坎后面的消能网孔较消能坎前面的消能网孔小。水流经过消 能坎时与其发生撞击，会在消能坎前面产生回流现象，因此将前面的消能网孔设 置的更大使得通量更大，进而使水流尽量从前段更大孔径消能网孔落入下一层中。
进一步的，沿着所述消能流路的流路方向，后一个流道的竖向截面的截面积 等于或小于前一个流道的竖向截面的截面积。截面积变小，使得水流流速增大， 从而在消能流路的后段消去更多的能量
进一步的，顶层的所述消能流路的下一层消能流路尾部的流道中，当设置消 能网孔时，沿着远离所述消能梯的方向，消能网孔变小。大流量水流在顶层的消 能流路中，一部分水流因流速和能量过大，能够达到该消能流路的尾部，自消能 梯进入下一层消能流路，进而自下一层消能流路末端反向流动，此时，通过该流 道中消能网孔的设计，使小能量水流从较近较大消能网孔落下，仍有能量残余的 水流会流至稍远位置，从小孔径消能网孔落下，自动调节消除能量。
进一步的，所述消能流路的相邻两个流道相互垂直。从而水流在流路中垂直 撞击箱体后变向，使得能量能够被最大幅度消除。
本发明及其优选方案的理论依据为：携带能量越大的水流流经的消能措施越 多，消能效果越好。从该角度出发，希望分散处理携带不同能量的水体，将不同 流速的水体分散消去多余能量。但是水流能量越大，消能压力越大，排气要求越 高，产生的撞击压力也相对较大。工程设计中综合考虑消能箱最大承压能力、排 气能力、消能调节力以及工程布置等多项因素确定消能箱结构。可以看出，较优 的消能箱结构形式是：消能箱内分层布置。在水流进入消能层阶段，先利用隔板 消能，并在各层相继布置消能坎、消能网孔、消能梯和消能栅条，将不同流速的 水流在各层先进行不同程度地消能，消能不够充分的水流再进入下一层分散消能， 能量越大的水体消去的能量越多，各层承担的消能压力相对减少，能达到自适应 消能且容易满足承压要求；在水流排出消能层阶段，掺入水流的气体从储流平流层的敞口排出，满足排气要求，储水池能很好的改善水流流态，使水流平稳排出 消能箱，满足承压要求，从而总体上改善了消能箱的承压过大、消能自调节力和 排气问题。
具体的，本发明的优选方案的工作原理：当小流量水流进入消能箱时，因为 能量不大，水流不会完全充满消能箱顶层的消能流路，而是先经顶层的消能流路 的第一个流道末端撞击变向，以及该流道中的消能隔板和消能坎消去部分能量。 然后水流进入下一流道并同时因流道截面变小提升流速，部分水流经该流道的消 能网孔跌落下一层。剩余水流流经该流道内消能坎进一步消去部分能量，然后部 分水流经消能坎后的消能网孔跌落第二层，另一部分水流中的一小部分经流道末 端箱体撞击回流后，仍旧从该流道中消能坎后的消能网孔进入第二层，而剩下部 分水流会经由截面更小的下一流道再次提速，重复上述跌落过程。若在经过该下 一流道后还有剩余水流，则剩余水流会在之后经历同样提速的过程，并重复上述 跌落过程。进入第二层的水流，也会经各流道底部的消能孔跌入下一层，能量越 高的水流流经的消能孔越多，消去的能量越多。最终到达储流平流层的水流由底 部倾斜面流入落水槽内，进到储水池平稳流态，最后由出水口排出。
当大流量水流进入消能箱时，其中一部分水流会像小流量水流一样从消能孔 进入第二层，但还有一部分水流流速大、能量大，会直接到达顶层消能流路尾部 的流道经消能梯进入第二层，经由消能梯的跌落过程进一步消除部分能量后，由 消能梯进入第二层的水流一般能量仍旧很大，所以还需要由消能梯后面的消能坎 消去部分能量，然后和由顶层的消能孔进入第二层的水流一起通过第二层的消能 孔和消能栅条落入第三层。大流量水流在消能箱各层掺入的气体会经由储流平流 层的敞口排出，很好的解决了排气压力大的问题。水流到达储流平流层后，后续 过程跟小流量水流一样。
有益效果：与现有技术相比，该消能箱通过分层消能，各层再分散消能，能 够缓解消能时箱体承压过大问题。各流道内消能孔、栅条的布置增加了消能力度， 同时针对不同流速的水流能够实现自适应式消能。并且，储流平流层的敞口设计 能够解决消能时的排气问题。而分层结构以及相邻两个流道的延伸方向不同的设 计也有效的增加了水流流动面积，增加了水流与箱体的摩擦，使得消能效果更加 显著。
附图说明
图1是本发明实施例中消能箱的透视状态下的俯视结构示意图；
图2是图1中消能箱沿A向的结构示意图；
图3是图2中第一消能流路沿A-A线的剖视图；
图4是图2中第二消能流路沿B-B线的剖视图；
图5是图2中消能箱沿C-C线的剖视图；
图6是实施例中消能隔板的结构示意图。
具体实施方式
如图1-2所示，本实施例的消能箱为回形分层结构的自适应消能箱。包括进 水口1、消能流路2、储流平流层3、落水槽4、储水池5和出水口6。其中，消 能流路2分别为第一消能流路21和第二消能流路22，第一消能流路21和第二 消能流路22自上至下依次堆叠。
具体的，请一并参阅图3所示，第一消能流路21的流道包括依次垂直连通 的第一顶层流道201、第二顶层流道202、第三顶层流道203、第四顶层流道204 和第五顶层流道205。该消能流路2的底面齐平，整体高一致，均为L1。第一顶 层流道201和第二顶层流道202的竖向截面的截面积一致，两者的宽也均为L1， 也即两者的竖向截面均为边长L1的正方形截面。
第一顶层流道201与进水口1连接，其内部设置有如图6所示的消能隔板11， 该消能隔板11将第一顶层流道201的竖向截面分割成格栅状。当然，在其他实 施例中，消能隔板11还可以设置成其他结构，其目的是通过对水流进行阻隔， 消除水流的部分能量。
第二顶层流道202、第三顶层流道203、第四顶层流道204和第五顶层流道 205沿逆时针排布呈口字型，且在口字型的各侧边的流道内均设置有消能坎10， 因此，在第一消能流路21中共设置有四个消能坎10，这四个消能坎分别设置在 各侧边的流道中间，消能坎10自流道的底面向上凸起，能够改变水流流态，能 有效减少水流能量，通过反射作用，让更多的水流从消能网孔7落入第二层。而 口字型结构使水流与箱体发生撞击，且增加了水流流动面积，水流与箱体的摩擦 增加，有利于消能。
自第三顶层流道203开始，流道的竖向截面积较之前的流道逐渐减小，这样 能够使得水流的流速增大，使其在之后的流道内消去更多的能量。具体实施时， 在第三顶层流道203的前端设置截面渐缩段12，通过其大截面端与第二顶层流 道202连接，在本实施例中，第三顶层流道203的宽度为5L1/6，第四顶层流道 204的宽为2L1/3，第五顶层流道205的宽为1L1/2。
为了进一步实现调整消能力度，第三顶层流道203、第四顶层流道204和第 五顶层流道205均设置有连通第二消能流路22的消能网孔7。具体的，消能网 孔7包括分别位于第三顶层流道203的消能坎10两侧的消能网孔71和消能网孔 72、分别位于第四顶层流道204的消能坎10两侧的消能网孔73和消能网孔74、 分别位于第五顶层流道205的消能坎10两侧的消能网孔75和消能网孔76。在 第三顶层流道203、第四顶层流道204和第五顶层流道205内分别设置消能网孔 7也是为了和截面渐缩段12相互配合，在阶段性提高水流流速后，使水流能在 消能网孔段消去更多能量。
而为了达到自适应消能，不同流速水流需要流经不同孔径的消能网孔7，因 此，将消能网孔7的孔径调整至合适大小，能够进一步加强消能效果。具体的， 在本实施例中，消能网孔71的孔径为1L1/7，消能网孔72的孔径为1L1/9，消能 网孔73和74的孔径均为1L1/10，消能网孔75的孔径为1L1/12，消能网孔76的 孔径为1L1/15。
再结合图4所示，第二消能流路22呈侧放倒的凹字形结构，位于第一消能 流路21下方，其流道包括依次垂直连通的第一中间层流道206、第二中间层流 道207和第三中间层流道208。该第二消能流路22的构造是为了适应第一层结 构，其底面设置有消能坎10、消能网孔7和消能栅条，目的是为了进一步对水 体的能量进行消减。
具体的，第一中间层流道206设置在第三顶层流道203的下方，第二中间层 流道207设置在第四顶层流道204的下方，第三中间层流道208设置在第五顶层 流道205的下方，且各边段的中心线均与上方的流道中心线重叠。
为了使得水流的流速增大，使其在之后的流道内消去更多的能量，第二消能 流路22的各流道的竖向截面的截面积也依次减小。本实施例中，第二消能流路 22的高度为4L1/3，其各个流道的宽度＝上方的第一消能流路21的对应位置流道 宽度+2L1/3。而第二层高度和宽度都增加是为了防止水流滞留在第二层，同时第 二层底部的消能空间更大。
同样的，第一中间层流道206和第三中间层流道208的底面均设置有消能网 孔7，具体包括在逆时针方向依次设置在第一中间层流道206内的消能网孔77 和78、依次设置在第三中间层流道208内的消能网孔79和70。而第二中间层流 道207上设置消能栅条8。为了达到适应不同流速水流需要流经不同孔径的消能 网孔7，同样需要将消能网孔7的孔径调整至合适大小。具体的，消能网孔77 的孔径为1L1/8，消能网孔78的孔径为1L1/10，消能网孔79的孔径为1L1/16， 消能网孔70的孔径为1L1/12，而之所以消能网孔79的孔径较消能网孔70的孔 径小，是因为消能梯9所带来的水流回流。
为了避免水流从第一消能流路21的消能网孔7直接跌落入储流平流层3，第 一消能流路21的消能网孔7和第二消能流路22的消能网孔7在竖直方向尽量错 位设置。
针对于大流量大能量的水流，第一消能流路21和第二消能流路22的末端还 设置消能梯9进行消能，具体的，第五顶层流道205与第三中间层流道208的末 端上下连通，而在连通处设置自第五顶层流道205向前向下延伸至第三中间层流 道208的消能梯9。而在第三中间层流道208中消能梯的后方设置与其配合的消 能坎10，该消能坎设置在消能网孔70之中。若是进入第一消能流路21的水体 过大，则水流还会从消能梯9进入第二消能流路22，消能梯9也能消去部分能 量。而这部分进入第二消能流路22的水流携带从上一层消能网孔7跌落的部分 水流，回流过消能梯9后方的消能坎10，一部分从消能梯9和消能坎10之间的消能网孔70跌落，另一部分继续向第二中间层流道207方向流去，最终在第二 中间层流道207内设置的消能栅条8向下跌落。
请一并结合图5，储流平流层3呈敞口的方形漏斗状，设置在第二消能流路 22的下方，落水槽4连接在其下部。
第一中间层流道206第二中间层流道207和第三中间层流道208沿着储流平 流层3的侧边设置，为储流平流层3中间留出用于排除掺入气体的敞口。第二消 能流路22各流道设置的消能网孔7和消能栅条8将水流引导至储流平流层3的 内表面，而储流平流层3的内表面也呈向落水槽4引流的斜面，从而将水流快速 的引流至落水槽4内。
储水池5连通设置在落水槽4的侧面，底部较落水槽4的底部更低，且落水 槽4的底面设置成倾斜面用以向储水池5引流，从而迅速的将水流过渡到储水池 5中平稳水流的流态，进而从出水口6稳定的流出，另一方面也节省了水平方向 的空间。
在该实施例中，第一消能流路21和第二消能流路22形成消能箱的两个消能 层，而储流平流层3形成消能箱的稳流层。对于进入该消能箱的水流，不同能量 的水体在消能箱第一层经过消能隔板11、消能坎10、消能网孔7等不同的消能 措施后从不同途径落入第二层，实现自适应式消能；到达第二层的水流又会根据 自身携带的能量而经历不同的消能措施后落入第三层，也能根据水流所含能量实 现自动调节式消能，且分层消能箱能够更容易满足撞击压力的要求；水流中掺入 的气体从第三层敞口排出，能够满足排气要求；进入第三层的水流从落水槽4 进入到储水池5平缓流态后再流出消能箱；从总体上改善了消能箱的承压能力、 排气能力和自适应能力。
