基于CAD和三維軟件CATIA的月牙肋岔管體型設計

王 茜，劉永孝，劉潔玉

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2.陜西灃西新城投資發展有限公司，西安 712000)

1 工程簡介

月牙肋岔管是三梁岔管的一種發展，月牙肋岔管用一個完全嵌入管殼內的月牙肋板代替三梁岔管的U形梁，并按月牙肋主要承受軸向拉力的原則來確定月牙肋板的尺寸。月牙肋岔管具有良好的流態，受力明確，水頭損失小，結構可靠，制造安裝容易等特點，在國內外大中型常規和抽水蓄能電站地下埋管中得到廣泛應用[1-2]。

某水電站為引水式電站，引水系統位于左岸山體內，洞線長度約19.1 km。電站初擬額定水頭253 m，設計引用流量228 m3/s，電站總裝機容量510 MW。建筑物由電站進水口、引水隧洞、調壓室、壓力管道等部分組成。電站引水線路采用1洞3機的供水方式，壓力鋼管(D=7.4 m)后接“卜”形月牙肋1、2號鋼岔管，后接3條支管(D=4 m)。主管軸線和支管軸線夾角為64.69°。

2 體型設計

以往對岔管的體型設計基本上都采用DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設計規范》[3]中的數解法，過程較為繁瑣。本文采用CAD結合三維設計軟件CATIA進行岔管的體型設計，使得岔管的體型設計變得簡單可行。先以本工程1號岔管為例，簡要介紹應用CAD結合三維設計軟件進行岔管體型設計的步驟。

2.1 設計步驟

(1) 確定主、支管管徑、支管軸線夾角及公切球半徑。

由工程資料可知，1號岔管主管的直徑為7 400 mm，與2號岔管相連的支管直徑為6 000 mm，另一支管直徑為4 000 mm，兩支管軸線夾角為64.69°。由文獻[3]中10.2可知，最大公切球半徑R宜取為主管半徑的(1.1～1.2)倍，這里暫定R為1.15倍主管半徑，即為8 510 mm。公切球球心在2號岔管相連的支管軸線上。

(2) 確定岔管鈍角區及銳角區轉角，繪制岔管主錐管和支錐管。

依據文獻[3]要求，鈍角區腰線轉折角、支管腰線轉折角不宜大于15°；最大直徑處腰線轉折角不宜大于12°。在確定鈍角區及銳角區轉角的同時，必須使得環向焊縫間距滿足規范要求。一般來說，當兩錐管之間的腰線轉折角增大時，環向焊縫的間距就增大，反之環向焊縫的間距就減小，這兩者是一對矛盾體。所以這一步是比較麻煩的，要進行多次調整，在滿足規范的前提下使得岔管的體型盡量平順。經過多次調整，繪制主錐及過渡錐管體型見圖1。

圖1 過渡錐管及主錐管繪制過程圖 單位：mm

(3) 確定岔管相貫線和軸線

連接三錐腰線的交點，即得到岔管的相貫線。各相鄰管節之間都存在一公切球，連接各相鄰管節公切球的圓心，即得到岔管軸線。岔管軸線繪出后，可得到岔管的分叉角為78.1°。需注意分叉角必須滿足規范要求，若不滿足，則回到第2步，重新調整。

圖2 1號岔管體型圖 單位：mm

(4) 確定岔管過渡錐間的相貫線

卜形岔管連接兩過渡錐的腰線轉折點和兩過渡錐公切球的切點就得到這2個過渡錐的相貫線，Y形岔管只需連接兩對稱的腰線轉折點就得到相貫線。最后根據前面的主錐和過渡錐體型畫出岔管體型，如圖2所示。初步擬定體型后，還需要根據計算對岔管體型進行優化。

(5) 肋板體型設計

根據前面擬定的岔管體型，可利用三維軟件建立岔管的三維模型，本文采用三維設計軟件CATIA建立岔管的三維模型。CATIA的精度較高，建立的模型可后期直接導入Ansys中進行計算。建立的1號岔管的三維模型如圖3所示。由建立好的模型中可以得到管殼相貫線，將得到的管殼相貫線導入CAD中。《小型水電站機電設計手冊·金屬結構》[4]一書中提出，按照月牙肋設計實踐經驗，提出用相貫線作月牙肋外緣線的基本輪廓，另加制作裕度來確定肋板外輪廓，內緣線按拋物線輪廓確定。由此可知，肋板體型設計主要是確定管殼相貫線和肋板內緣線。

文獻[4]P364推薦公式(1)確定肋寬BT及肋板內緣輪廓線,肋板體型見圖4。

BT=(BT/a)×a

(1)

式中:a為中面與肋中面交線的水平投影長，查三維軟件作圖：1號岔管a=4.587 m。BT/a為岔角ω23及運行工況查曲線得到為0.263%。

肋板內緣的拋物線方程為：

(2)

式中:y0=b,肋頂端底端距離的1/2；x0=a-BT。

這樣，該岔管的體型設計已經完成。體型設計完成后，還需要通過有限元計算對體型進行優化。

圖3 岔管三維模型圖 單位：mm

圖4 肋板體型圖

2.2 體型設計中的幾個問題

(1) 分叉角的選擇

分叉角是影響月牙肋岔管的水力特性和結構特性的重要參數。文獻[3]中規定，月牙肋岔管分叉角宜用55°～90°。岔管的水力特性和結構特性之間是存在矛盾的。分叉角較小，水流流態較好，對水流有利，但是對結構不利，因為分叉角越小，管壁相互切割的破口越大，使得肋板的尺寸變大，而且分叉角過小會增加加工制造的難度。分叉角較大，會增加岔管的水頭損失，但是能減小管壁相互切割的破口，能有效減小肋板的尺寸。因此這就要在進行岔管體型設計時綜合考慮各方面的要求，抓住主要方面。對于低水頭電站，岔管的內壓值較小，岔管的水頭損失是岔管設計的主要方面，這時應多考慮一些水力方面的要求；反之，對于高水頭大PD值岔管，結構特性更為重要，這時就應在設計中多考慮結構方面的要求，適當地增加分叉角，比如在70°～80°左右取值，可以適當地減小肋板的厚度和尺寸。

(2) 擴大率的選擇

最大公切球半徑與主管半徑的比值稱為岔管的放大率。若放大率大，岔管處的平均流速減小，岔管的水頭損失減小，但是若放大率過大，水流會在分叉處與管壁脫離而產生渦流，反而會增大水頭損失；并且放大率過大會增加岔管的管壁厚度。若擴大率過小，岔管處的平均流速增加，岔管的水頭損失增加。文獻[3]中規定放大率為1.1～1.2。一般情況下，當支管的斷面面積與主管的斷面面積比較接近時，放大率可取大些，反之可取小些。

(3) 腰線轉折角的選擇

當腰線轉折角超過14°時，腰部的內中外表面的應力增長速度加快，管壁厚度可能由管殼腰部的內表面應力控制；當腰線轉折角超過6°時， 管頂內表面的應力較大， 此時管殼厚度可能由管頂內表面應力控制；當轉折角控制在6°～14°之間時，腰部和頂部管殼應力均較小，分布均勻[5]。因此在進行岔管體型設計時，宜使岔管的腰線轉折角控制在6°～14°之間，可使岔管受力更加均勻。

3 結 語

(1) 本文利用CAD繪圖軟件結合三維設計軟件CATIA進行了岔管的體型設計，大大簡化了體型設計的過程。比起以往的數值解析法，該方法能夠快速、準確、高效地設計岔管體型，極大地方便了設計者，并在一定程度上減少了人為的計算誤差。經過工程實例的檢驗，表明這種設計方法是準確可靠的。

(2) 探討了在岔管體型設計中一些關鍵參數的選取，總結了這些關鍵參數對岔管結構設計的影響，對以后岔管的設計工作有一定借鑒意義。

參考文獻:

[1] 王志國.高水頭大PD值內加強月牙肋岔管布置與設計[J].水力發電,2001,(10):56-58.

[2] 馬善定,伍鶴皋,秦繼章.水電站壓力管道[M].武漢：湖北科學技術出版社,2002.

[3] DL/T 5141-2001,水電站壓力鋼管設計規范[S].北京：電力出版社,2002.

[4] 慌希之,唐怡生.小型水電站機電設計手冊·金屬結構[M].北京：水利水電出版社,1991.

[5] 杜芳琴,武鶴皋,石長征.月牙肋鋼岔管設計中若干問題的探討[J].水電能源科學,2012,(8):129-132.