一种适用于有压管道的旋梯式消能装置

1.本发明涉及消能装置技术领域，尤其涉及一种适用于有压管道的旋梯式消能装置。


背景技术：

2.我国的淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，名列世界第六位。虽然我国水资源丰富，但是其分布与人口、耕地的分布极不相适应，水土资源的配合很不均衡，华北地区较为严重，因此如何在农业灌溉中改善水资源的利用效能成为农业水利上很重要的问题之一；迄今为止，灌溉用水的输送基本采用两种方式，即渠道输水和管道输水。渠道输水污染严重，流量损失大，工程造价高；管道输水具有可随一定地形条件铺设，对地质条件要求不高，渗漏损失小，能保证输水水质，施工方便，造价较低，管理方便等优点，常作为设计者优先考虑的方案。
3.虽然管道输水有很多优点，但近年来，随着社会的快速发展，农村基础设施也在不断完善，使农民的生活和生产条件越来越好，大量丰富的品类种植对灌溉及设施安全、高效等的要求愈高。例如，农业灌溉引水管道或长距离输送水管道的使用中，管道出口距离、土壤质地、植被密度等都直接影响输水管道内的水压，过高的剩余水头将会引起不必要的管道震动、出口冲刷、土水肥流失等问题，造成明显的经济损失。同时，要满足管道沿程不同出水要求也直接和管道沿程剩余水头息息相关，因此，解决灌溉输水管道沿程剩余能量对管道安全输水及按需供水尤为重要。
4.目前对管道中水流的消能主要有内消能和外消能两种方式，其中内流式消能工是在泄水建筑物如泄洪洞内部，通过过流断面的突变或其他工程措施，人为的制造大紊动的旋滚，使水流的一部分能量转化为热能或动能，从而达到降低水流出口能量、减少消能建筑物投资、优化水工建筑物布置等作用；内流式消能一般有四种类型：孔板消能工、阀口消能工、旋流式消能工和螺旋式消能工，目前市面上常见的内消能装置多是在上述消能原理的基础上进行设计的，虽均能起到一定的消能作用，但是消能效果不佳，此外，目前市面上现有设计其结构往往较为固定，不能根据实际用水场景的水压需求进行调整，适用范围较小，为了解决上述问题，我们提出了一种适用于有压管道的旋梯式消能装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中的如下问题：
6.现有设计消能效果较差，且结构固定，无法根据实际应用需要进行调整，适用范围较小的问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.一种适用于有压管道的旋梯式消能装置，包括有管道，所述管道的两端固定连接有连接法兰盘，所述连接法兰盘上设置有第一贯穿孔，所述连接法兰盘的外侧设置有固定法兰盘，所述固定法兰盘通过固定螺栓固定连接在连接法兰盘上，两侧所述固定法兰盘之
间连接有消能机构，所述消能机构设置在管道内部。
9.优选地，所述固定法兰盘包括有外环，所述外环上设置有第二贯穿孔，所述固定螺栓贯穿第一贯穿孔和第二贯穿孔，实现固定法兰盘与连接法兰盘的固定连接。
10.优选地，所述外环的内侧固定连接有固定架，所述固定架的中心处设置有连接孔，所述消能机构通过连接孔与固定架相连接。
11.优选地，所述消能机构包括中心轴，所述中心轴的两端转动连接在固定架的连接孔上，所述中心轴两端靠近末端处套设有限位挡圈；所述中心轴上等距排布有若干个可拆卸式梯板，所述可拆卸式梯板包括有锁紧挡圈、扇叶和锁紧螺栓，所述锁紧挡圈套接在中心轴上，所述扇叶与锁紧挡圈的外侧壁固定连接，所述锁紧挡圈侧壁上相对扇叶一侧设置有螺纹孔，所述锁紧螺栓螺旋连接在螺纹孔内，所述锁紧螺栓的末端与中心轴的侧壁相接触；若干个所述可拆卸式梯板的扇叶整体成旋梯状排布。
12.与现有技术相比，本发明提供了一种适用于有压管道的旋梯式消能装置，具备以下有益效果：
13.(1)本发明的固定法兰盘内侧固定连接有十字状的固定架，固定架与周围的外环能够形成孔板效应，水流在通过固定架处时，可以使得水流产生收缩与突扩现象，加快水流的流速，与下游水体产生强烈剪切作用，将动能转化为热能，从而达到消能效果；同时在固定架之间转动连接中心轴，中心轴上呈旋梯状固定连接有多个可拆卸式梯板，有压的管道中的水流经过多个可拆卸式梯板和中心轴组成的消能机构时，高速水流冲击在可拆卸式梯板的扇叶上，扇叶对于水流的阻碍作用会强迫水流方向发生改变，掺入相邻水流中，这时与相邻水流产生强烈的紊动，将动能转化为内能耗散，从而达到消能目的；利用上述设计，使得本发明工作时，梯板旋流消能和阻碍消能够共同作用，增大了消能效果，上下游经过梯板的水流形态随水能的大小发生改变；
14.(2)本发明所提出的消能机构的可拆卸式梯板包括有锁紧挡圈、扇叶和锁紧螺栓，扇叶固定在锁紧挡圈上，而通过锁紧螺栓和锁紧挡圈的共同作用，使用者可以根据所需的过流能力通过调整扇叶的扭转角度，组合方式，相邻锁紧挡圈间的间距以及扇叶重合面积进行不同的预加工处理，调节消能降压比率，变换消能效果，从而获得不同供水压力面满足不同节水灌溉方式对水压的需求，灵活多变，实用性强；
15.(3)本发明的消能机构包含有多个可拆卸式梯板，梯级层层消能可以有效避免瞬时高压对管道的冲击破坏，增强了管道的稳定性；
16.(4)本发明装置本体的两端采用法兰盘式设计，可添加可拆卸，对管道结构要求低，适用于大多数管道，适用范围广；
17.(5)本发明装置可以在管路中的不同位置同时多个安装，按照消能需要灵活布置。
附图说明
18.图1为本发明提出的一种适用于有压管道的旋梯式消能装置的结构示意图；
19.图2为本发明提出的一种适用于有压管道的旋梯式消能装置的爆炸结构示意图；
20.图3为本发明提出的一种适用于有压管道的旋梯式消能装置的消能机构的结构示意图；
21.图4为本发明提出的一种适用于有压管道的旋梯式消能装置的实施例2中实验装
置示意图；
22.图5为本发明提出的一种适用于有压管道的旋梯式消能装置的实施例2中测压管液柱高度测量示意图。
23.图中标号说明：
24.1、管道；2、连接法兰盘；3、固定法兰盘；301、外环；302、固定架；4、固定螺栓；5、消能机构；501、中心轴；502、锁紧挡圈；503、扇叶；504、锁紧螺栓；505、限位挡圈。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.实施例1：
28.请参阅图1-3，一种适用于有压管道的旋梯式消能装置，包括有管道1，管道1的两端固定连接有连接法兰盘2，连接法兰盘2上设置有第一贯穿孔，连接法兰盘2的外侧设置有固定法兰盘3，固定法兰盘3通过固定螺栓4固定连接在连接法兰盘2上，两侧固定法兰盘3之间连接有消能机构5，消能机构5设置在管道1内部。
29.固定法兰盘3包括有外环301，外环301上设置有第二贯穿孔，固定螺栓4贯穿第一贯穿孔和第二贯穿孔，实现固定法兰盘3与连接法兰盘2的固定连接。
30.外环301的内侧固定连接有固定架302，固定架302的中心处设置有连接孔，消能机构5通过连接孔与固定架302相连接。
31.消能机构5包括中心轴501，中心轴501的两端转动连接在固定架302的连接孔上，中心轴501两端靠近末端处套设有限位挡圈505；中心轴501上等距排布有若干个可拆卸式梯板，可拆卸式梯板包括有锁紧挡圈502、扇叶503和锁紧螺栓504，锁紧挡圈502套接在中心轴501上，扇叶503与锁紧挡圈502的外侧壁固定连接，锁紧挡圈502侧壁上相对扇叶503一侧设置有螺纹孔，锁紧螺栓504螺旋连接在螺纹孔内，锁紧螺栓504的末端与中心轴501的侧壁相接触；若干个可拆卸式梯板的扇叶503整体成旋梯状排布。
32.本发明的固定法兰盘3内侧固定连接有十字状的固定架302，固定架302与周围的外环301能够形成孔板效应，水流在通过固定架302处时，可以使得水流产生收缩与突扩现象，加快水流的流速，与下游水体产生强烈剪切作用，将动能转化为热能，从而达到消能效果；同时在固定架302之间转动连接中心轴501，中心轴501上呈旋梯状固定连接有多个可拆卸式梯板，有压的管道1中的水流经过多个可拆卸式梯板和中心轴501组成的消能机构5时，高速水流冲击在可拆卸式梯板的扇叶503上，扇叶503对于水流的阻碍作用会强迫水流方向发生改变，掺入相邻水流中，这时与相邻水流产生强烈的紊动，将动能转化为内能耗散，从而达到消能目的；利用上述设计，使得本发明工作时，梯板旋流消能和阻碍消能够共同作用，增大了消能效果，上下游经过梯板的水流形态随水能的大小发生改变，通过上下游经过梯板的水流形态的对比可以很直观的对比出消能效果；同时本发明所提出的消能机构5的
可拆卸式梯板包括有锁紧挡圈502、扇叶503和锁紧螺栓504，扇叶503固定在锁紧挡圈502上，而通过锁紧螺栓504和锁紧挡圈502的共同作用，使用者可以根据所需的过流能力通过调整扇叶503的扭转角度，组合方式，相邻锁紧挡圈502间的间距以及扇叶503重合面积进行不同的预加工处理，调节消能降压比率，变换消能效果，从而获得不同供水压力面满足不同节水灌溉方式对水压的需求，灵活多变，实用性强；更进一步的，本发明的消能机构5包含有多个可拆卸式梯板，梯级层层消能可以有效避免瞬时高压对管道1的冲击破坏，增强了管道1的稳定性；最后，本发明装置本体的两端采用法兰盘式设计，可添加可拆卸，对管道1结构要求低，适用于大多数管道1，适用范围广，且在同一管路中可多个同时按需布设。
33.实施例2：
34.请参阅图1-5，基于实施例1又有所不同之处在于：
35.为了验证本发明所提出的旋梯式消能装置的消能效果，设计如下对照实验对其进行验证，具体为：
36.实验原理
37.消能原理：应用上下游能量差计算消能率。
38.以管轴心为基准面，则消能段上下游位置水头z1和z2均为0，上游压强水头下游压强水头则消能率
39.其中h1，h2为上下游测压管水位，v1为管道水流流速。
40.由此可知，只需知道消能管段上下游测压管水位以及水流流速即可得到消能率。其中管道水流流速由泵功率参数已知流量为135l/min，即8.1m3/h，根据管道半径25mm可以计算出水流流速。
41.实验方法
42.s1、实验装置：本实验装置(如图4所示)由水箱、管道泵、消能装置、阀门等部分组成，设置
①
无梯板、无中心轴、无固定法兰盘设计为空白对照组，另设
②
无梯板、无中心轴、有固定法兰盘设计；
③
有中心轴、有固定法兰盘、梯板等间距6片设计；
④
有中心轴、有固定法兰盘、梯板等间距12片设计三种形式的消能装置作为实验组。
43.s2、实验步骤：首先将阀门开启，向水箱中注水，使水流充满管道，形成有压环境。打开管道泵，使水流过空白对照组和实验组，当水流经过实验组中的固定法兰盘的十字形的固定架时，可以使得水流产生收缩与突扩现象，并利用通过孔板加速流动的水流，与下游水体产生强烈剪切作用，将动能转化为热能，从而达到消能效果。在消能管段中，梯板对于水流的阻碍作用会强迫水流方向发生改变，掺入相邻水流中，这时与相邻水流产生强烈的紊动，将动能转化为内能耗散，从而达到消能的目的，并且旋梯通过梯级层层对水流进行消能，加大了其消能效果。此外如果将梯板无间距呈旋梯式摆放，可迫使水流形成螺旋流，增大其消能效果。水流通过旋梯消能管段后，经循环水管重新流入水箱中。实验完毕后，通过开启水箱排水孔将水箱中的水排出。
44.s3、实验数据：由消能原理可知计算消能率需测量消能管段上下游测压管液柱高度，因基准水面线在管道中轴线上，无法直接读取测压管水位高。故将测压管水位分为两部分：管道内h1与管道外h2(如图5所示)。其中，h1为管道半径，h2可用测量尺直接读取。测量
数据与消能率计算如下表所示。
45.无梯板、无中心轴、无固定法兰盘(空白对照组)
[0046][0047]
无梯板、无中心轴、有固定法兰盘(实验组1)
[0048][0049]
有中心轴、有固定法兰盘、梯板等间距6片(实验组2)
[0050][0051]
有中心轴、有固定法兰盘、梯板等间距12片(实验组3)
[0052][0053]
根据上述数据分析可知，本发明所提出的旋梯式消能装置，与现有设计相比，有效提升了消能效果，且使用方便，结构灵活，可以根据需要进行装卸和调节，有效解决了现有设计消能效果较差，且结构固定，无法根据实际应用需要进行调整，适用范围较小的问题。
[0054]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。