基于CAD和三維軟件CATIA的月牙肋岔管體型設(shè)計(jì)

王 茜，劉永孝，劉潔玉

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2.陜西灃西新城投資發(fā)展有限公司，西安 712000)

1 工程簡(jiǎn)介

月牙肋岔管是三梁岔管的一種發(fā)展，月牙肋岔管用一個(gè)完全嵌入管殼內(nèi)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(tài)，受力明確，水頭損失小，結(jié)構(gòu)可靠，制造安裝容易等特點(diǎn)，在國內(nèi)外大中型常規(guī)和抽水蓄能電站地下埋管中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

某水電站為引水式電站，引水系統(tǒng)位于左岸山體內(nèi)，洞線長度約19.1 km。電站初擬額定水頭253 m，設(shè)計(jì)引用流量228 m3/s，電站總裝機(jī)容量510 MW。建筑物由電站進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道等部分組成。電站引水線路采用1洞3機(jī)的供水方式，壓力鋼管(D=7.4 m)后接“卜”形月牙肋1、2號(hào)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(shè)計(jì)

以往對(duì)岔管的體型設(shè)計(jì)基本上都采用DL/T 5141—2001《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中的數(shù)解法，過程較為繁瑣。本文采用CAD結(jié)合三維設(shè)計(jì)軟件CATIA進(jìn)行岔管的體型設(shè)計(jì)，使得岔管的體型設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單可行。先以本工程1號(hào)岔管為例，簡(jiǎn)要介紹應(yīng)用CAD結(jié)合三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行岔管體型設(shè)計(jì)的步驟。

2.1 設(shè)計(jì)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(hào)岔管主管的直徑為7 400 mm，與2號(hào)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(xiàn)[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(hào)岔管相連的支管軸線上。

(2) 確定岔管鈍角區(qū)及銳角區(qū)轉(zhuǎn)角，繪制岔管主錐管和支錐管。

依據(jù)文獻(xiàn)[3]要求，鈍角區(qū)腰線轉(zhuǎn)折角、支管腰線轉(zhuǎn)折角不宜大于15°；最大直徑處腰線轉(zhuǎn)折角不宜大于12°。在確定鈍角區(qū)及銳角區(qū)轉(zhuǎn)角的同時(shí)，必須使得環(huán)向焊縫間距滿足規(guī)范要求。一般來說，當(dāng)兩錐管之間的腰線轉(zhuǎn)折角增大時(shí)，環(huán)向焊縫的間距就增大，反之環(huán)向焊縫的間距就減小，這兩者是一對(duì)矛盾體。所以這一步是比較麻煩的，要進(jìn)行多次調(diào)整，在滿足規(guī)范的前提下使得岔管的體型盡量平順。經(jīng)過多次調(diào)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(diǎn)，即得到岔管的相貫線。各相鄰管節(jié)之間都存在一公切球，連接各相鄰管節(jié)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(guī)范要求，若不滿足，則回到第2步，重新調(diào)整。

圖2 1號(hào)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(zhuǎn)折點(diǎn)和兩過渡錐公切球的切點(diǎn)就得到這2個(gè)過渡錐的相貫線，Y形岔管只需連接兩對(duì)稱的腰線轉(zhuǎn)折點(diǎn)就得到相貫線。最后根據(jù)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(jù)計(jì)算對(duì)岔管體型進(jìn)行優(yōu)化。

(5) 肋板體型設(shè)計(jì)

根據(jù)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(shè)計(jì)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(dǎo)入Ansys中進(jìn)行計(jì)算。建立的1號(hào)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(dǎo)入CAD中。《小型水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)·金屬結(jié)構(gòu)》[4]一書中提出，按照月牙肋設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(nèi)緣線按拋物線輪廓確定。由此可知，肋板體型設(shè)計(jì)主要是確定管殼相貫線和肋板內(nèi)緣線。

文獻(xiàn)[4]P364推薦公式(1)確定肋寬BT及肋板內(nèi)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(hào)岔管a=4.587 m。BT/a為岔角ω23及運(yùn)行工況查曲線得到為0.263%。

肋板內(nèi)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(shè)計(jì)已經(jīng)完成。體型設(shè)計(jì)完成后，還需要通過有限元計(jì)算對(duì)體型進(jìn)行優(yōu)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(shè)計(jì)中的幾個(gè)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(jié)構(gòu)特性的重要參數(shù)。文獻(xiàn)[3]中規(guī)定，月牙肋岔管分叉角宜用55°～90°。岔管的水力特性和結(jié)構(gòu)特性之間是存在矛盾的。分叉角較小，水流流態(tài)較好，對(duì)水流有利，但是對(duì)結(jié)構(gòu)不利，因?yàn)榉植娼窃叫。鼙谙嗷デ懈畹钠瓶谠酱螅沟美甙宓某叽缱兇螅曳植娼沁^小會(huì)增加加工制造的難度。分叉角較大，會(huì)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(jìn)行岔管體型設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮各方面的要求，抓住主要方面。對(duì)于低水頭電站，岔管的內(nèi)壓值較小，岔管的水頭損失是岔管設(shè)計(jì)的主要方面，這時(shí)應(yīng)多考慮一些水力方面的要求；反之，對(duì)于高水頭大PD值岔管，結(jié)構(gòu)特性更為重要，這時(shí)就應(yīng)在設(shè)計(jì)中多考慮結(jié)構(gòu)方面的要求，適當(dāng)?shù)卦黾臃植娼牵热缭?0°～80°左右取值，可以適當(dāng)?shù)販p小肋板的厚度和尺寸。

(2) 擴(kuò)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(huì)在分叉處與管壁脫離而產(chǎn)生渦流，反而會(huì)增大水頭損失；并且放大率過大會(huì)增加岔管的管壁厚度。若擴(kuò)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(xiàn)[3]中規(guī)定放大率為1.1～1.2。一般情況下，當(dāng)支管的斷面面積與主管的斷面面積比較接近時(shí)，放大率可取大些，反之可取小些。

(3) 腰線轉(zhuǎn)折角的選擇

當(dāng)腰線轉(zhuǎn)折角超過14°時(shí)，腰部的內(nèi)中外表面的應(yīng)力增長速度加快，管壁厚度可能由管殼腰部的內(nèi)表面應(yīng)力控制；當(dāng)腰線轉(zhuǎn)折角超過6°時(shí)， 管頂內(nèi)表面的應(yīng)力較大， 此時(shí)管殼厚度可能由管頂內(nèi)表面應(yīng)力控制；當(dāng)轉(zhuǎn)折角控制在6°～14°之間時(shí)，腰部和頂部管殼應(yīng)力均較小，分布均勻[5]。因此在進(jìn)行岔管體型設(shè)計(jì)時(shí)，宜使岔管的腰線轉(zhuǎn)折角控制在6°～14°之間，可使岔管受力更加均勻。

3 結(jié) 語

(1) 本文利用CAD繪圖軟件結(jié)合三維設(shè)計(jì)軟件CATIA進(jìn)行了岔管的體型設(shè)計(jì)，大大簡(jiǎn)化了體型設(shè)計(jì)的過程。比起以往的數(shù)值解析法，該方法能夠快速、準(zhǔn)確、高效地設(shè)計(jì)岔管體型，極大地方便了設(shè)計(jì)者，并在一定程度上減少了人為的計(jì)算誤差。經(jīng)過工程實(shí)例的檢驗(yàn)，表明這種設(shè)計(jì)方法是準(zhǔn)確可靠的。

(2) 探討了在岔管體型設(shè)計(jì)中一些關(guān)鍵參數(shù)的選取，總結(jié)了這些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，對(duì)以后岔管的設(shè)計(jì)工作有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 王志國.高水頭大PD值內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管布置與設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)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(xué)技術(shù)出版社,2002.

[3] DL/T 5141-2001,水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：電力出版社,2002.

[4] 慌希之,唐怡生.小型水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)·金屬結(jié)構(gòu)[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(shè)計(jì)中若干問題的探討[J].水電能源科學(xué),2012,(8):129-132.