[发明专利]阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施及消能方法

权利要求书

1.阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，包括溢流堰(3)、阶梯结构(4)、螺旋叶轮结构(5)和水垫塘(6)，其特征在于：

所述溢流堰(3)与大坝(2)连接为一体，溢流堰(3)由弧形段(33)、直线段(34)、反弧段(35)组成，溢流堰(3)的入水口(31)与上游的水库(1)相连通，溢流堰(3)的出水口(32)位于水垫塘(6)上方，水垫塘(6)与下游河道(7)相接；

所述阶梯结构(4)由若干的阶梯单元(40)构成，阶梯结构(4)固定在溢流堰(3)的直线段(34)上，每个阶梯单元(40)由阶梯曲面(41)、阶梯竖面(42)和墩结构(43)组成，每个阶梯曲面(41)与溢流堰(3)、相邻的阶梯竖面(42)连接固定，每个阶梯竖面(42)也与溢流堰(3)连接固定；

所述螺旋叶轮结构(5)由若干的双螺旋叶轮单元(50)构成，每个双螺旋叶轮单元(50)由旋转轴(52)、叶轮(53)、滚珠轴承(54)和固定件(55)组成，叶轮(53)与旋转轴(52)固定连接，旋转轴(52)的两端嵌套在滚珠轴承(54)的内圈，滚珠轴承(54)的外圈通过固定件(55)连接固定于底座(51)，螺旋叶轮结构(5)通过底座(51)固定在溢流堰(3)的反弧段(35)起始端。

2.根据权利要求1所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，其特征在于：所述阶梯曲面(41)为外缘上翘的凹形曲面。

3.根据权利要求1所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，其特征在于：所述墩结构(43)固定在所述的阶梯曲面(41)上，墩结构(43)为不规则柱体，墩结构(43)的侧面由一个矩形面和两个对称的曲面组成，矩形面靠近所述的阶梯竖面(42)并且平行于阶梯竖面(42)，墩结构(43)的上底面为平面，下底面为与阶梯曲面(41)曲率相同的曲面；所述墩结构(43)在同一个阶梯曲面(41)上按相同间距排列、在相邻的两个阶梯曲面(41)上彼此交错布置。

4.根据权利要求1所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，其特征在于：所述双螺旋叶轮单元(50)中的两根旋转轴(52)处于同一个倾斜平面，旋转轴(52)之间夹角为30°-40°，呈顶端不相连的“锐角”，角平分线的方向与水流方向相反。

5.根据权利要求1所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，其特征在于：所述叶轮(53)螺旋缠绕固定于旋转轴(52)，叶轮(53)的叶片为涡轮叶片。

6.根据权利要求1所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施，其特征在于：所述固定件(55)的上端为半圆环、下端为矩形。

7.一种基于权利要求1-6所述的阶梯式-螺旋反向旋转底坎式联合消能设施的消能方法，其特征在于包括以下步骤：

①当水库(1)的库水位上涨超过溢流堰(3)的堰顶后，洪水急速漫过溢流堰(3)开始下泄；高速水流流过溢流堰(3)的直线段(34)时，受到阶梯结构(4)强烈摩阻，若干个外缘上翘的阶梯曲面(41)将水流向外挑射，同时受到若干个墩结构(43)的阻碍和分流，使得水流经历一系列挑射、绕流、碰撞和飞溅的过程，从而实现阶梯式消能，消耗掉一部分能量；

②高速水流流过溢流堰(3)反弧段(35)起始端时，急速冲向螺旋叶轮结构(5)，水流冲击叶轮(53)的叶片，驱动双螺旋叶轮单元(50)的两根旋转轴(52)反向旋转，转动的叶轮(53)带动周围水流旋转和对冲，同时水流受到螺旋叶轮结构(5)的阻挡，使得水流经历一系列对冲、旋流、翻滚、喷射和飞溅的过程，从而实现螺旋反向旋转底坎式消能，消耗掉另一部分能量；

③水流流过溢流堰(3)的反弧段(35)末端时，在惯性作用下发生挑射，使得水流与空气混掺，而后落入水垫塘(6)中，在水垫塘(6)中形成紊动剧烈的翻滚水流，从而实现掺气消能和水垫塘消能；

④从水垫塘(6)流出的水流与下游河道(7)自然衔接，能够保证下游河道不被冲刷破坏；

按照上述消能步骤，即可提高溢流堰(3)的消能防冲效率。