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类型第十三章 水电站的压力管道7.doc

  • 上传人:jinchen
  • 文档编号:5666936
  • 上传时间:2019-03-11
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    第十三章 水电站的压力管道7.doc
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    1、第十三章 水电站的压力管道第七节 分岔管一、分岔管压力管道的分岔方式有 Y 形 图 8-22(a)和 y 形图 8-22(b)。 二者对水流的分配均匀,缺点是机组数较多时分岔段较长;后者的分岔管是一种由薄壳和刚度较大的加强梁组成的复杂的空间组合结构,受力状态比较复杂,在计算力学和计算机这种计算工具应用于工程之前,对这种结构只能简化成平面问题进行近似计算。岔管的加强梁有时需要锻造,卷板和焊接后需作调整残余应力处理,因而制造工艺比较复杂。 图 13-22 管道分岔方式 岔管的另一特点是水头损失较大,在整个引水系统的水头损失重在重要地位。例如我国某水电站,引水隧洞长 1200m,根据模型试验,仅一处

    2、岔管的局部水头损失即超过引水隧洞和进水口水头损失的总和。因此,如何降低水头损失是岔管设计的一个重要问题。较好的岔管体型应具有较小的水头损失、较好的应力状态和较易于制造。从水力学的角度看,岔管的体型设计应注意以下几点:(1)使水流通过岔管各断面的平均流速相等,或使水流处于缓慢的加速状态。(2)采用较小的分岔角 a,如图 13-23 所示。但从结构上考虑,分岔角不宜太小,太小会增加分岔段的长度,需要较大尺寸的加强梁,并会给制造带来困难。水电站岔管的分岔角一般在 30-75范围内,最常采用的范围是 45-60。(3)分弃管采用锥管过渡,避免用柱管直接连接。半锥和一般用 5-10。(4)采用较小的岔档

    3、角夕。岔档有分流的作用,较小的岔档角有利于分流。(5)支管上游侧采用较小的顺流转角 。图 13-23 岔管体型示意图 以上各点有时难于同时满足,例如,增加支管锥角 有助于减小 ,但又不可避免地会加大 ,但前者对水流的影响较大。岔管的水力要求和结构要求也存在矛盾,例如,较小的分岔角对水流有利,但对结构不利,因为分岔角越小,管壁互相切割的破口越大,加强梁的尺寸也就越大,而且过小的夹角会使岔档部位的焊接困难,又例如,支管用锥管过渡对水流有明显的好处,但不可避免地会使主支间的破口加大;等等。这就要求在设计岔管体型时应最大限度地满足各方面的要求,分清主次,抓住主要矛盾。一般说来,对于水头较低的电站,岔管

    4、的内压较小,而岔管的水头损失占总水头的比重较大,此时多考虑一些水力方面的要求是正确的;反之,对于高水头的电站,多考虑一些结构方面的要求是合理的。在以后的讨论中我们将会知道,在分岔区,由于管壁的相互切割,在内水压力的作用下,存在较大的不平衡力,需要另设加强构件承担。加强构件一般沿管壁的相贯线(管壁交线)布置。在工程中,为了便于加固,希望相贯线是平面曲线。相贯线是平面曲线的必要和充分条件是两个锥管有一个公切球(平面图像是公切圆),如图 13-24 所示。在平面图上,公切圆 O 与锥管 I 相切于 a、a,与锥管相切于 b, b,连接 aa 和 bb,得交点 D, AD 和 BD 即为相贯线的平面图

    5、像。在垂直纸面的沿 AD 和 BD 方向的两个平面上,相贯线是两个椭圆曲线。若主支管的直径相差较大,两者公切于一个球有困难,则岔管的体型也可以不按这一要求进行设计,此时相贯线是一个曲面上的封闭曲线,常用一个曲面圈梁加固。图 13-24 两个锥管平面的公切圆 二、岔管的荷载和受力特点在压力管道的分岔处,管壁因互相切割而不再是一个完整的圆形,在内水压力作用下,原被切割等的管壁所承担的环拉力 T 便无法平衡,需另设加强构件来承担这个不平衡力,如图 13-25 (b)所示。此外,在有些情况下管壁还存在轴向力,此轴向力在相贯处也不能平衡,需由加强构件承担。图 13-25 岔管的受力情况 1.管壁环向拉力

    6、引起的荷载如图 13-25 (b)所示,在内压 p 作用下,沿锥管轴线单位长度管壁的环拉力式中 一锥管的半锥顶角;-计算点处的锥管半径。T 沿 LM 方向单位长度的垂直分量为图 13-25 中的分力 分解为作用在相贯线平面内沿竖轴 y 表示的水平分量式中 a-支管轴线与主管轴线所夹之锐角;y-相贯线垂直坐标,见图 13-25 (c);a、b-相贯线的半长轴和半短轴,其值为其中 R 为主管半径。上述 和 是一侧支管作用于相贯线 LM 上的荷载,对 Y 形分岔,乘以 2 得总荷载;对于不对称的 y 形分岔,则应分别以两支管的参数代入式(13-38)和(13-39) 求出相应的荷载。和 沿 u、y

    7、轴的分布如图 13-25 (c)。2.管壁轴向力引起的荷载管壁的轴向力有以下几种情况:有闷头、有锥管、有伸缩节及埋管等。对支管有闷头情况(如水压试验等),单位周长管壁沿母线方向的轴力对于埋管式中 -钢材的泊松比;-钢材的线膨胀系数;-钢材的弹性模量;-温差。轴向力 在相贯线上的垂直分量和水平分量式中 -相贯线椭圆曲线 上计算点的横坐标值;其他符号同前。 和 亦为一个支管引起的荷载,方向示于图 13-25(c)中。以上为相贯线 LM 上的荷载。相贯线 CD 和 上的荷载求法类似。三、几种常用的岔管根据岔管的体型和加固方式,水电站常用的岔管有以下几种。(一)贴边岔管贴边岔管在相贯线的两侧用补强板加

    8、固,如图 13-26 所示。补强板与管壁焊接,可加于管外,也可同时加于管内和管外。我国早期建造的几个水电站多采用这种岔管。贴边岔管的特点是补强板的刚度较小(与后面的加固梁比较),不平衡区的内水压力由补强板和管壁共同承担,适用于中、低水头的 y 型地下埋管,特别适用于支、主管直径之比(d/D)在 0.5以下的情况,此比值大于 0.7 时不宜采用贴边岔管。图 13-26 贴边岔管 贴边岔管的应力状态比较复杂,除有限元法外,目前尚无他比较合理的分析方法,其壁厚可近似的用下式确定式中 R-计算管节的最大内径;-焊缝系数;-系数,取 1.2-1.5, d/D 小者取小值;-膜应力区的容许应力,基本荷载时

    9、取,特殊荷载时取。补强板可采用一层(置于管外),d/D 较大时可用两层(管内外各一层),宽度用( 0.2-0.4)d,厚度可与管壁厚度相同。(二)三梁岔管三梁岔管用三根首尾相连接的曲梁作为加固构件,如图 13-27 所示。U 梁承受较大的不平衡水压力,使梁系中的主要构件。腰梁 1 承受的不平衡力较小,腰梁 2 用来加固主管管壁。同时,两根腰梁有协助 U 梁承受外力的功用。图 13-27 三梁岔管 加固梁的刚度比邻近的管壁刚度要大得多,故在设计时,一般假定梁系承担全部不平衡区的内水压力。梁的断面可计入 每侧宽度的管壁。U 形梁沿相贯线布置,一般加于管壳之外,内外缘均为椭圆曲线,如图 13-28

    10、(a)所示。U 梁的荷载如图 13-25(c) 所示,在垂直和水平荷载 V、H 及腰梁反力 P、 Q、M 的作用下,U 梁可近似作为固定于对称轴 1-1 的变截面悬臂梁进行分析计算。U 梁的横截面形式比较常用的有矩形和 T 形,图 13-28(b)和(c)所示。采用 T 形截面的目的是为了采用较薄的腹板获得较大惯性矩,但由于 T 形截面形心外移使 U 形梁的悬臂加长,荷载 V 在 1-1 截面形成的弯矩将显著增加,从而使 U 梁内缘的拉应力加大,故宜采用形截面。矩形截面的 U 梁也应避免采用瘦高截面。为了减小 U 梁的计算跨度,可将其部分嵌入管壳内,如图 8-28(d)所示。嵌入的深度越大,U

    11、 梁的弯曲应力越小,逐步使 U 梁过渡为受拉构件。水工模型试验表明,嵌人的 U 梁对水流的影响视岔管的分流情况而定。对于设计的分流情况,水流比较对称,嵌入的 U 梁对水流一般无不良影响,甚至可熊有利;对于非设计情况(如一个支管为设计流量另一支管关闭),则 U 梁两侧出现旋涡区,使水头损失加,在 U 梁两侧加导流板有一定效果。图 13-18 U 形梁 三梁岔管的主要缺点是梁系中的应力主要是弯曲应力,材料的强度未得到充分利用,三个曲梁(特别是 U 梁常常需要高大的截面,这不但浪费了材料,加大了岔管的轮廓尺寸。而且可能需要锻造,焊接后还可能需要进行热处理。由于梁的刚度较大,对管壳有较强的约束,使梁附

    12、近的管壳产生较大的局部应力。同时,在内压的作用下,由于相贯线的垂直变位较小,用于埋管则不能充分利用围岩的抗力。因此,三梁岔管虽有长期的设计、制造和运行的经验,但由于存在上述缺点,不能认为是一种很理想的岔管。三梁岔管用于内压较高、直径不大的明管道。(三)月牙肋岔管月牙肋岔管是三梁岔管的一种发展。前面已经指出,三梁岔管的 U 梁嵌人管壳能够改善其应力状态。月牙肋岔管用一个完全嵌入管壳内的月牙形肋板代替三梁岔管的 U 形梁,并按月牙肋主要承受轴向拉力的原则来确定月牙肋的尺寸。月牙肋岔管的主管为倒锥管,两个支管为顺锥管,三者有一公切球,如图 13-29 所示。主管采用倒锥管的目的有二:一是减小 A 点

    13、管壁的转角 (一般不超过 13),以达到取消AD 方向的腰梁和改善流态的目的;二是适当的逐步扩大分岔区的过流面积,以减小流速,从而降低水头损失。图 13-29 月牙肋岔管 月牙肋岔管的分岔角常用 55-90,公切球的半径取 1.1-1.2 倍主管半径。月牙肋岔管的壁厚用式(13-44)和下式求出而取其大者式(13-44)用于膜应力区, 取 1.0-1.1。式(13-45) 用于局部应力区, 按图 13-30 查取,在基本荷载情况下取 ,特殊荷载情况下取 。图 13-30 应力集中系数曲线 肋板的中央截面宽度 可从图 8-31(a)中的经验曲线初步确定,曲线 用于试验工况,曲线 用于运行工况。

    14、确定后,肋板内缘尺寸可按图 13-31(b)中的 三点成一抛物线按 确定。肋板的厚度式中 V 为中央截面的作用力,可按 水工设计手册等文献中的公式求取。 在基本荷载情况下取 ,特殊荷载情况下取 。C 为锈蚀裕量。 大体为管壁厚度的 2.0-2.5 倍。图 13-31 决定月牙肋尺寸的经验曲线 由于月牙肋是按无矩要求设计的,荷载合力基本通过肋板截面形心,使肋板处于轴心受拉状态;材料的强度得以充分发挥。由于肋板厚度不大,可用厚钢板制造,工艺较为简单。肋板的轮廓尺寸与分岔角( 、 )和两顺锥管的半锥角( , )有关,一般说来,全岔角越小、锥角越大,要求的肋板宽度越大,因此,调整分岔角和锥角的大小可改

    15、变肋板的宽度和厚度。月牙肋岔管除沿 CD 向有肋板加固外,其他部位均无加固构件,由管壳承担全部内水压力,故管壳的体型应力求平顺。结构模型试验表明,管壁转折处 A 点是一个薄弱环节,应控制转折角 Y 勿使过大。水工模型试验表明,在设计分流情况下,月牙肋岔管具有良好的流态,但在非对称水流情况下,插入的肋板对向一侧偏转的水流有阻碍作用,流态趋于恶化,肋板的方向对水流影响较大,在设计岔管的体型时,应注意使肋板平面与主流方向一致。(四)球形岔管球形岔管是由球壳、主支管、补强环和内部导流板组成,如图 13-32 所示。在内压作用下,球壳应力仅为同直径管壳环向应力的一半,因此,球形岔管适用于高水头电站。球壳

    16、的最小直径按用补强环加固后的各主、支管开孔的局部应力不致相互影响并有一定的焊接空间决定。两相邻开孔间的最短弧长R 和 为球壳的半径和壁厚, R 一般为 1.3-1.6 倍主管半径。为了减小球壳的半径,球形岔管常采用较大的分岔角(60-90),使主、支管能均布在球壳的周围。图 13-32 球形岔管 球壳的荷载主要有内水压力、补强环的约束力和主、支管的轴向力。球壳的厚度 可按内水压力确定,即式中系数 取 1.1-1.2; 在基本荷载情况下取 ,特殊荷载情况下取 ;为焊缝系数,取 0.9-0-95;C 为锈蚀裕量,取 2mm。主、支管的轴向力对球壳应力有很大影响,在结构上应认真对待。对于垂直方向的支

    17、管应加以锚定,若为具有伸缩节的自由端,则管壁不能传递轴向力,作用于球壳上的轴向水压力将无法平衡。补强环一般为锻件,其截面积 F 的选择应使补强环受力后的径向变形等于被切割的球壳圆盘在同方向的变形,可近似地按下式确定式中 -补强环截面形心的半径;、 -补强环和球壳连接点的半径及与球心所夹之角;-补强环顺流向的宽度;-球壳设计膜应力。球形岔管突然扩大的球体对水流不利。为了改善水流条件,常在球壳内设导流板。导流板上设平压孔,因此不承受内水压力,仅起导流作用。(五)无梁岔管无梁岔管是在球形岔管的基础上发展而成。球形岔管的补强环需要锻造,与管壳焊接时要预热,球壳一般也要加热压制成形,有的球岔在制成后还进

    18、行整体退火,因此工艺复杂。无梁岔管是用三个渐变的锥管作为主 、支管与球壳连接段以代替补强环,需要压制的球壳面积大为减小,只剩下两个面积不大的三角体,半径一般取主管半径的 1.1-1.3 倍。管壁转折角 B 和 不宜超过 12。无梁岔管的壁厚可按式(13-44)和式(13-5)计算而取其大者,系数 取 1.1-1.2,按图 13-30 查取。无梁岔管是由球壳、锥壳和柱壳组成。结构模型试验表明,无梁岔管的A、B、C、D、E 、F 、G 等部位由于管壁不连续,是应力集中区域,爆破试验的破口多出现在这些部位。无梁岔管适宜用作埋管。为了改善应力条件,省去加强构件,无梁岔管采用了较肥胖的体形,在分岔处,过

    19、水断面急剧增大,水流易于出现涡流。无梁岔管的岔省具有宽阔的迎水面,不利于分流、水工模型试验表明,上下球壳部位有明显的旋涡区,在不对称分流时,岔档部位的脉动压力幅值较大。在上下球壳部位加水平吊顶,在岔档部位加导流楔体,如图 13-33 中的虚线所示,对改善流态、减小水头损失有明显的效果。图 13-33 无梁岔管 岔管的整体强度是衡量岔管整体安全度的一个重要标志。结构模型试验表明,与同直径的直管段相比,三梁岔管与月牙肋岔管的整体屈服压力比和爆破压力比均接近 1;贴边岔管的整体屈服压力比约为 0.8-0.85,爆破压力比仅为 0.7-0.8;无梁岔管的相应比值分别为0.8-0.85 和 0.9-0.95。故三梁岔管与月牙肋岔管的整体安全度较高,而贴边岔管则较差,后者一般用作地下埋管。我国采用地下埋藏式岔管较多。目前,对埋藏式岔管的设计仍以明岔管的设计思想为指导。应研究埋藏式岔管的合理形式,以便利用围岩承担更多的内水压力。在地质条件较好和地应力满足要求情况下,也可不做钢岔管而采用钢筋混凝土岔管。

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