水电站第八章7-8节.ppt

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第七节第七节分岔管分岔管一、分岔管一、分岔管1功用功用采用联合供水或分采用联合供水或分组供水时，即一根组供水时，即一根管道需要向两台或管道需要向两台或更多机组供水时，更多机组供水时，需要设置分岔管，需要设置分岔管，这种岔管位于厂房这种岔管位于厂房上游侧。

岔管的主上游侧。

岔管的主要作用是要作用是分配水流分配水流。

第七节第七节分岔管分岔管2特点特点岔管用以分配水流，水流的方向和流态有较大改变，因岔管用以分配水流，水流的方向和流态有较大改变，因此此岔管是引水系统中水头损失较大的地方岔管是引水系统中水头损失较大的地方。

岔管处静动水压力最大，又靠近厂房，故其岔管处静动水压力最大，又靠近厂房，故其安全性十分安全性十分重要重要。

岔管由薄壳和刚度大的加强构件组成，管壁厚，构件尺岔管由薄壳和刚度大的加强构件组成，管壁厚，构件尺寸大，有时需锻造，焊接工艺要求高，造价也比较高。

寸大，有时需锻造，焊接工艺要求高，造价也比较高。

3要求要求水流平顺，水头损失小，水流通过岔管各断面的平均流水流平顺，水头损失小，水流通过岔管各断面的平均流速相等，或使水流处于缓慢加速状态，避免涡流和振动。

速相等，或使水流处于缓慢加速状态，避免涡流和振动。

第七节第七节分岔管分岔管结构合理简单结构合理简单,受力条件好，不产生过大应力集中和变形。

受力条件好，不产生过大应力集中和变形。

制作、运输、安装方便制作、运输、安装方便4布置形式布置形式岔管的布置形式岔管的布置形式（aa）卜形布置）卜形布置（bb）对称）对称YY形布置形布置（cc）三岔形布置）三岔形布置第七节第七节分岔管分岔管卜形布置，图（卜形布置，图（a）。

适用于从主管中分出一支较小的岔）。

适用于从主管中分出一支较小的岔管，或者两条支管的轴线因故不能对称布置时。

管，或者两条支管的轴线因故不能对称布置时。

对称对称Y形布置，图（形布置，图（b）。

用于主管分成两个相同的支管。

）。

用于主管分成两个相同的支管。

三岔形布置，图（三岔形布置，图（c）。

用于主管直接分成三个相同的支）。

用于主管直接分成三个相同的支管。

管。

若机组台数较多，可采用若机组台数较多，可采用Y形形卜形卜形或或Y形形三岔形三岔形组合布组合布置。

岔管置。

岔管的主、支管中心线宜布置在同一平面内，使结构简的主、支管中心线宜布置在同一平面内，使结构简单。

从水力学的角度看，岔管的体型设计应注意以下几点：

单。

从水力学的角度看，岔管的体型设计应注意以下几点：

使水流通过岔管各断面的平均流速相等或使水流处于缓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；慢的加速状态；第七节第七节分岔管分岔管采用较小的分岔角采用较小的分岔角，水电站岔管的分岔角一般为，水电站岔管的分岔角一般为3075，多采用，多采用4560；分支管采用锥管过渡，避免用柱管直接连接，半锥管一分支管采用锥管过渡，避免用柱管直接连接，半锥管一般用般用510；采用较小的分裆角采用较小的分裆角，有利于水流；，有利于水流；支管上游侧采用较小的顺流转角支管上游侧采用较小的顺流转角。

水力学条水力学条件和结构、工艺要求常互相矛盾。

件和结构、工艺要求常互相矛盾。

对于低水头电站，对于低水头电站，应更多考虑水头损失因素；而对于高水头电站，有时为了使应更多考虑水头损失因素；而对于高水头电站，有时为了使结构合理简单，可以容许水头损失稍大一些结构合理简单，可以容许水头损失稍大一些。

第七节第七节分岔管分岔管二、岔管的荷载和受力特点二、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完整的图形，在压力管道的分岔处，管壁因互相切割而不再是完整的图形，在内水压力作用下，被切割掉的管壁所承担的环拉力便无法在内水压力作用下，被切割掉的管壁所承担的环拉力便无法平衡，须另设加强构件来承担这个不平衡力。

此外，在有些平衡，须另设加强构件来承担这个不平衡力。

此外，在有些情况下管璧存在轴向力，此轴向力在相贯处也不能平衡，须情况下管璧存在轴向力，此轴向力在相贯处也不能平衡，须由加强构件承担。

由加强构件承担。

1.管壁环向拉力引起的荷载管壁环向拉力引起的荷载在内压在内压p的作用下，沿锥管轴线单位长度管长的环拉力的作用下，沿锥管轴线单位长度管长的环拉力式中：

式中：

锥管的半锥顶角；锥管的半锥顶角；rx计算点处的锥管半径。

计算点处的锥管半径。

第七节第七节分岔管分岔管岔管的受力分析岔管的受力分析第七节第七节分岔管分岔管T沿沿LM方向单位长度的垂直分量为：

方向单位长度的垂直分量为：

分力分力H分解为作用在相贯线平面内沿竖轴分解为作用在相贯线平面内沿竖轴y表示的水平分量表示的水平分量式中：

式中：

支管轴线与主管轴线所夹之锐角；支管轴线与主管轴线所夹之锐角；y相贯线的垂直坐标；相贯线的垂直坐标；a，b相贯线的半长轴和半短轴，值为：

相贯线的半长轴和半短轴，值为：

其中其中R为主管半径。

为主管半径。

v1和和H1沿沿u、y轴轴的分布见图的分布见图第七节第七节分岔管分岔管2.管壁环向拉力引起的荷载管壁环向拉力引起的荷载管壁的轴向力有：

闷头、锥管、伸缩节及埋管等。

管壁的轴向力有：

闷头、锥管、伸缩节及埋管等。

对支管有闷头的情况（如水压试验），单位周长管壁沿母线对支管有闷头的情况（如水压试验），单位周长管壁沿母线方向的轴力：

方向的轴力：

对于埋管：

对于埋管：

式中：

式中：

钢材的泊松比；钢材的泊松比；s、E钢材的线膨胀系数和弹模；钢材的线膨胀系数和弹模；E温差温差。

第七节第七节分岔管分岔管轴向力轴向力T在相贯线上的垂直分量和水平分量在相贯线上的垂直分量和水平分量式中：

式中：

u相贯线椭圆曲线上计算点的横坐标值；相贯线椭圆曲线上计算点的横坐标值；v2和和H2为一个支管引起的荷载。

为一个支管引起的荷载。

以上为相贯线以上为相贯线LM上的荷上的荷载。

载。

第七节第七节分岔管分岔管三、几种常用的岔管三、几种常用的岔管岔管有很多结构形式，按制造岔管的材料和所用的加强方式岔管有很多结构形式，按制造岔管的材料和所用的加强方式两个特征可分为三类。

两个特征可分为三类。

（一）明钢岔管

（一）明钢岔管明钢岔管由钢材焊制而成，钢材承受全部荷载明钢岔管由钢材焊制而成，钢材承受全部荷载。

按岔管的加。

按岔管的加强方式和受力特点分为五种形式：

强方式和受力特点分为五种形式：

1贴边岔管贴边岔管在相贯线的两侧用补强板加固，补强板与管壁焊接，可加在相贯线的两侧用补强板加固，补强板与管壁焊接，可加于管外，也可同时加于管内和管外。

于管外，也可同时加于管内和管外。

第七节第七节分岔管分岔管其其特点特点是补强板的刚度较小，不平衡区的内水压力由补强是补强板的刚度较小，不平衡区的内水压力由补强板和管壁共同承担。

板和管壁共同承担。

适用于中、低水头的卜形岔管。

适用于中、低水头的卜形岔管。

贴边岔管的应力状态比较复杂，除有限元法外，目前还没贴边岔管的应力状态比较复杂，除有限元法外，目前还没有比较合理的分析方法，其壁厚可近似地用下式确定：

有比较合理的分析方法，其壁厚可近似地用下式确定：

补强板可补强板可采用采用1-2层，宽度为层，宽度为0.20.4倍倍d，厚度与管壁厚厚度与管壁厚度相同。

度相同。

第七节第七节分岔管分岔管2三梁岔管三梁岔管在主、支管的相贯线外侧，设置在主、支管的相贯线外侧，设置U梁梁和和两个腰梁两个腰梁，组成薄壳，组成薄壳和空间梁系的组合结构。

和空间梁系的组合结构。

设计时一般假定设计时一般假定梁承担全部不平衡区的内水压力梁承担全部不平衡区的内水压力。

它的典型。

它的典型布置有布置有Y形、卜形和三岔形。

形、卜形和三岔形。

缺点缺点：

梁：

梁中应力主要是弯曲应力，材料的强度未充分发挥，中应力主要是弯曲应力，材料的强度未充分发挥，三个曲梁截面大；浪费材料，对管壳有较强的约束作用，产三个曲梁截面大；浪费材料，对管壳有较强的约束作用，产生较大的局部应力。

生较大的局部应力。

适用于水压较高、直径不大的明钢管。

适用于水压较高、直径不大的明钢管。

第七节第七节分岔管分岔管三梁岔管三梁岔管腰梁腰梁2腰梁腰梁1U型梁型梁第七节第七节分岔管分岔管3月牙肋岔管月牙肋岔管三梁岔管的发展。

它由主管扩大段和支管缩小段组成一个切三梁岔管的发展。

它由主管扩大段和支管缩小段组成一个切于同一个公切球的圆锥壳。

于同一个公切球的圆锥壳。

沿支锥的相贯线，内插一月牙状的肋板，焊接在管壁上作沿支锥的相贯线，内插一月牙状的肋板，焊接在管壁上作为加强构件。

为加强构件。

BBAA3322内加强月牙内加强月牙肋岔管肋岔管顺锥管顺锥管顺锥管顺锥管倒锥管倒锥管月牙肋月牙肋DDCCOO223311第七节第七节分岔管分岔管主管采用倒锥管，两个支管为顺锥管。

其目的：

一是减小主管采用倒锥管，两个支管为顺锥管。

其目的：

一是减小A点管壁的转角点管壁的转角（一般不超过（一般不超过13），以达到取消），以达到取消AD方向的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，降低水头损失。

面积，以减小流速，降低水头损失。

按月牙肋主要承受轴向拉力的原则确定月牙肋尺寸。

分岔按月牙肋主要承受轴向拉力的原则确定月牙肋尺寸。

分岔角通常角通常5590，公切球半径取，公切球半径取1.11.2倍主管半径。

倍主管半径。

在设计分流情况下，月牙肋岔管具有良好的流态，但在非在设计分流情况下，月牙肋岔管具有良好的流态，但在非对称水流情况下，插入肋对称水流情况下，插入肋板对水流具有阻碍作用，流态恶化。

板对水流具有阻碍作用，流态恶化。

肋板的方向对水流影响较大。

肋板的方向对水流影响较大。

第七节第七节分岔管分岔管4球形岔管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。

它球形岔管是由球壳、主支管、补强环和内部导流板组成。

它通过球面壳进行分岔，沿主、支管与球壳交接处的相贯线，通过球面壳进行分岔，沿主、支管与球壳交接处的相贯线，设置圆环形加强梁，组成球壳和加强梁的组合结构。

设置圆环形加强梁，组成球壳和加强梁的组合结构。

球壳球壳导流板导流板补强环补强环第七节第七节分岔管分岔管球壳的最小直径按用补强环加固后的各主、支管开孔的局球壳的最小直径按用补强环加固后的各主、支管开孔的局部应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间的最短弧长:

R和和ts为球壳的半径和壁厚，为球壳的半径和壁厚，R一般为一般为1.31.6倍主管半径。

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为了减小球壳的半径，球形岔管常采用较大的分岔角（6090），使主、支管能均布在球壳的周围。

，使主、支管能均布在球壳的周围。

球壳的球壳的荷载主要有内水压力、补强的约束力和主、支管的荷载主要有内水压力、补强的约束力和主、支管的轴向力。

轴向力。

第七节第七节分岔管分岔管球壳球壳的厚度可按内水压力确定：

的厚度可按内水压力确定：

补强环一般为锻件，其截面积补强环一般为锻件，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地按下式确定:

式中：

式中：

rr补强环截面形心的半径；补强环截面形心的半径；r0、补强环和补强环和球壳连接点的半径及与球心所夹之角；球壳连接点的半径及与球心所夹之角；第七节第七节分岔管分岔管式式中：

中：

b补强环顺流向的宽度；补强环顺流向的宽度；s0球壳设计膜应力。

球壳设计膜应力。

由于内压作用下球壳应力仅为同直径管壳应力的一半，因由于内压作用下球壳应力仅为同直径管壳应力的一半，因此，球形岔管适用于高水头电站。

它的典型布置有此，球形岔管适用于高水头电站。

它的典型布置有Y形和三形和三分岔。

分岔。

球形岔管突然扩大的球体对水流不利。

为了改善水流条件，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。

压力，仅起导流作