月牙肋鋼岔管錐管曲面導(dǎo)流板設(shè)計

岳 竹，姜新忠

（杭州水利水電勘測設(shè)計院有限公司，浙江杭州，310006）

月牙肋鋼岔管錐管曲面導(dǎo)流板設(shè)計

岳 竹，姜新忠

（杭州水利水電勘測設(shè)計院有限公司，浙江杭州，310006）

現(xiàn)有鋼岔管導(dǎo)流板設(shè)計研究成果在改善岔管內(nèi)水流流態(tài)、設(shè)計以及施工等方面中存在一定不足，為此，提出了一種錐管曲面導(dǎo)流板設(shè)計方法，導(dǎo)流板曲面采用可以卷制的單曲率錐管曲面，導(dǎo)流板與月牙肋貼合平順合理，并推導(dǎo)了導(dǎo)流板曲面方程。目前，錐管曲面導(dǎo)流板已成功運(yùn)用于某水電站月牙肋鋼岔管中。

月牙肋岔管；流態(tài)；導(dǎo)流板；錐管曲面

0 引言

岔管在引水系統(tǒng)中是用于分流或合流的一種布置型式，其間的水流方向、流態(tài)有較大的改變，是引水系統(tǒng)中水頭損失較大之處[1]。隨著引水式電站的廣泛應(yīng)用，岔管設(shè)計日益得到重視。近年來，內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管由于受力明確、結(jié)構(gòu)合理、能改善水流流態(tài)、水頭損失較小、制作安裝簡單，已經(jīng)成為國內(nèi)采用最多的岔管型式[2-3]。但當(dāng)月牙肋插入較深、肋寬比較大時，肋板對水流影響相對較大，岔管內(nèi)流態(tài)趨于復(fù)雜，水頭損失增大，為了改善月牙肋岔管處水流流態(tài)，設(shè)置導(dǎo)流板是非常有必要的。

目前國內(nèi)關(guān)于導(dǎo)流板設(shè)計的研究較少，國內(nèi)制作的小直徑三梁系岔管的導(dǎo)流板是敲制的，雖有利于流態(tài)，但制作較難。為了便于制作，采用可以進(jìn)行卷制的單曲率曲面。張蓉生分析得出了圓柱曲面形式導(dǎo)流板的施工放樣計算式[4]，朱大鈞采用不同參數(shù)的三段錐管曲面設(shè)計導(dǎo)流板，但與肋面的交線在肋頂端位置仍存在著局部不吻合，給施工帶來不方便[5]，筆者提出錐管曲面導(dǎo)流板的設(shè)計方法，并已應(yīng)用在某引水電站月牙肋鋼岔管設(shè)計中。

1 工程概況

某電站樞紐由攔河閘壩、發(fā)電引水系統(tǒng)、地面廠房等建筑物組成。發(fā)電引水系統(tǒng)采用“兩機(jī)一洞”的布置方式，裝機(jī)容量30 MW，設(shè)計引用流量37.60 m3/s，水輪機(jī)額定水頭93.5 m。岔管為內(nèi)加強(qiáng)月牙肋“卜”型岔管，分岔角為60°。與岔管相連接的主管直徑3.4 m，左側(cè)支管直徑2.2 m，右側(cè)支管直徑2.3m。岔管公切球內(nèi)半徑4m，岔管壁厚25mm，月牙肋肋板厚度60 mm。由于月牙肋肋板插入較深、肋寬比較大，為了改善岔管的流態(tài)、減小水頭損失，在岔管內(nèi)設(shè)計一導(dǎo)流板，該工程岔管平面圖見圖1。

2 導(dǎo)流板曲面設(shè)計

圖1 某電站岔管平面圖Fig.1 Plan of branch pipe of a hydropower station

為了較好地發(fā)揮導(dǎo)流板改善水流流態(tài)的作用，并便于設(shè)計制作安裝，該工程選擇一段錐管曲面作為導(dǎo)流板曲面。導(dǎo)流板四周分別與月牙肋左右側(cè)壁、支管內(nèi)壁焊接，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)流板與月牙肋銜接詳圖Fig.2 Connection detail of guide plate and crescent-rib

2.1 導(dǎo)流板曲面與月牙肋的相貫線

由于月牙肋的內(nèi)緣曲線由結(jié)構(gòu)計算確定[6]，為一拋物線，為了使導(dǎo)流板與月牙肋板平順銜接，導(dǎo)流板曲面與月牙肋肋面的相貫線宜為拋物線。根據(jù)解析幾何可知，當(dāng)月牙肋肋面與圓錐面的準(zhǔn)線平行，且不過圓錐頂點(diǎn)時，圓錐面與月牙肋的相貫線為拋物線。

該工程鋼岔管月牙肋體型如圖3所示，其中S1為月牙肋中面與錐管鋼岔管內(nèi)壁相貫線，S2為月牙肋外緣曲線，S3為月牙肋內(nèi)緣曲線，其方程為：

為了最大程度地改善岔管內(nèi)腔水流流態(tài)，導(dǎo)流板圓錐曲面與月牙肋肋面的相貫線宜與月牙肋內(nèi)緣曲線盡量吻合，同時考慮到月牙肋與導(dǎo)流板的焊接空間，最終確定導(dǎo)流板圓錐曲面與月牙肋肋面的相貫線為月牙肋內(nèi)緣曲線向內(nèi)側(cè)偏移0.05 m，即圖3中的S0曲線，其方程為：

將坐標(biāo)原點(diǎn)移動至S0曲線頂點(diǎn)，x軸正向旋轉(zhuǎn)180°，則S0的曲線方程為：

圖3 月牙肋體型圖Fig.3 Shape of crescent-rib

2.2 導(dǎo)流板曲面

如圖4所示，在坐標(biāo)系O0X0Y0Z0中，直線L、L′為圓錐曲面的準(zhǔn)線，其方程分別為式（4）、（5）；圓錐曲面為直線L或L′繞 z0軸旋轉(zhuǎn)一周，頂點(diǎn)為(0,0,0)，其方程為式（6）；平面xoy與直線L平行，過點(diǎn)o，點(diǎn)o為直線L′上的一點(diǎn)，其坐標(biāo)(0,-a,b)，其中b=a/tan(β/2)，平面xoy的方程為式（7）；圓錐曲面與平面xoy的交線S0方程為式（8）；交線S0在坐標(biāo)系OXYZ中的方程為式（9）。

圖4 平面與圓錐相交平面圖Fig.4 Intersection of plane and cone

圖5 導(dǎo)流板設(shè)計圖Fig.5 Design of guide plate

導(dǎo)流板圓錐曲面與月牙肋肋面相貫線的方程S0為：

由式10可得，a（a′）=2.280（2.442）mm。

根據(jù)a、β（a′、β′）值即可確定左（右）支錐管導(dǎo)流板圓錐曲面在平面x0o0y0中的另一條準(zhǔn)線OC（O′C′），導(dǎo)流板圓錐曲面隨之確定。

導(dǎo)流板圓錐曲面的方程為：

如圖6，拋物線O′AO′為月牙肋中面與錐管岔管內(nèi)壁相貫線S1，拋物線O′BO′為導(dǎo)流板圓錐曲面與月牙肋肋面的相貫線S0，空間曲線O′CO′為導(dǎo)流板圓錐曲面與岔管支錐管的相貫線。則在導(dǎo)流板圓錐曲面中拋物線O′BO′與空間曲線O′CO′所包的錐殼即為該岔管左支管的導(dǎo)流板曲面。

圖6 錐管曲面導(dǎo)流板示意圖Fig.6 Guide plate with conical surface

導(dǎo)流板主要是按流態(tài)方面的要求設(shè)計的，理論上導(dǎo)流板不承受荷載，為了便于卷制，導(dǎo)流板采用壁厚為10 mm Q235C鋼材。為了平衡導(dǎo)流板兩側(cè)的水壓力，使其不承受荷載，在導(dǎo)流板上開孔，孔徑?12 mm，間距300 mm。

3 設(shè)計成果分析

設(shè)置錐管曲面導(dǎo)流板后該工程岔管如圖7所示。內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管要求水流在遇到肋板分流后，流速應(yīng)加快，以避免渦流、減少水頭損失。在內(nèi)加強(qiáng)肋與管殼的相交處設(shè)導(dǎo)流板，勢必減少水流的過流面積，因此，導(dǎo)流板曲面設(shè)計時，應(yīng)保證水流分岔處截面積大于分岔后各支管截面積之和。設(shè)置導(dǎo)流板后水流分岔處及分岔后的斷面如圖8所示，過流面積變化如表1所示（各斷面位置見圖1）。因此，設(shè)置錐管曲面導(dǎo)流板后，水流遇到導(dǎo)流板后流速、流態(tài)滿足要求。

圖7 岔管體型圖Fig.7 Shape of branch pipe

表1 岔管設(shè)置導(dǎo)流板后過流面積Table 1 Flow area of branch pipe after setting guide plate

圖8 岔管設(shè)置導(dǎo)流板后沿水流方向斷面圖Fig.8 Section of branch pipe after setting guide plate(along di?rection of the flow)

4 結(jié)語

該電站鋼岔管導(dǎo)流板采用一段錐管曲面，錐管曲面與月牙肋肋面的交線與月牙肋的內(nèi)緣曲線完全吻合，簡化了導(dǎo)流板設(shè)計，同時錐管曲面為可展曲面，施工較為方便。水流遇到該導(dǎo)流板曲面分流后，水流逐漸加速，水頭損失減少。因此，月牙肋鋼岔管導(dǎo)流板采用錐管曲面不僅改善了岔管內(nèi)流態(tài)，同時簡化了導(dǎo)流板設(shè)計施工，便于實(shí)際工程應(yīng)用。 ■

[1]王仁坤,張春生.水工設(shè)計手冊(第8卷)·水電站建筑物[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

[2]王新,張曉宏.Y型月牙肋岔管導(dǎo)流板的水力特性試驗(yàn)研究[J].西北水力發(fā)電,2006,22(5):13-15.

[3]劉沛清,屈秋林,王志國,等.內(nèi)加強(qiáng)月牙肋三岔管水力特性數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報,2004(3):42-46.

[4]張蓉生.月牙肋岔管導(dǎo)流板的設(shè)計及施工放樣[J].水力發(fā)電,1991(11):63-66.

[5]朱大鈞.紅林電站月牙肋岔管導(dǎo)流板設(shè)計[M]//鐘秉章.水電站壓力管道、岔管、蝸殼.杭州:浙江大學(xué)出版社,1994: 224-228.

[6]SL 281-2003,水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范[S].

作者郵箱：3061243001@163.com

Design of guide plate with conical surface in crescent-rib reinforced branch pipe

by YUE Zhu and JIANG Xin-zhong
Hangzhou Design Institute of Water Conservancy and Hydropower Co.,Ltd.

The existing design of guide plate in reinforced branch pipe has some deficiencies in the im?provement of flow regime inside design and construction.A design method of guide plate with conical surface is presented in this paper.The rolling conical surface with single curvature is chosen as guide plate surface,which could make joint of the guide plate and the crescent-rib smooth and reasonable. And the surface equation of the flow guide plate is derived.At present,the guide plate with conical sur?face has been successfully applied to the crescent-rib reinforced branch pipe of a hydropower station.

crescent-rib reinforced branch pipe;flow regime;guide plate;conical surface

TV732.4

A

1671-1092（2016）05-0001-04

2016-03-04

岳 竹（1987-），女，山西晉中人，工程師，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)。