布尔津山口水电站尾水肘管制作技术

文智敏

(新疆汇通水利电力工程建设有限公司 乌鲁木齐 830000)

尾水管是水轮机组流道的一部分，其主要作用是排水和回收能量。尾水管结构形式一般由水轮机制造厂通过水力模型试验确定，主要的型式有:直锥型。适合于小型水轮机;弯锥型。适合于卧轴水轮机;弯肘型。适合于大中型水轮机。弯肘型尾水管可以减小厂房开挖深度，改善水力性能效果明显，在大中型水轮机组中得到普遍采用。弯肘型尾水管由锥管段、肘管和水平扩散段三大部分组成。锥管和水平扩散段展开计算简单、下料卷制工艺非常成熟，本文不赘述。下面以新疆布尔津山口水电站大机尾水肘管为例，重点介绍尾水肘管展开计算、排板及压制成型。

1 工程实例

布尔津山口水电站大机肘管俯视图及断面形式及尺寸见图1、下表。

图1 布尔津山口水电站大机肘管侧视图及断面形式图

布尔津山口水电站大机肘管各断面尺寸表

续表

2 展开模型的建立和展开方法

按照上表推算中性面尺寸，按照中性面尺寸建立任意管节展开放样计算模型，如图2所示。

图2 任意管节示意图

几何体展开的方法主要有平行线法、射线法和三角形法。由于尾水肘管各素线既不相互平行、又不能全部集交于一点，因此只能采用三角形法进行展开计算。

由各断面尺寸表可求得图中如下参数:P上、P下、R上、R下、Z上、Z下、β;计算步长 δ为已知，可根据需要拟定，一般步长越小，展开计算精度越高。

2.1 计算 P上(i)、P下(i)

2.2 计算投影长度Li、Li'

根据 P上(i-1)、P下(i)、Li';P上(i)、P下(i)、Li等多个三角形，利用余弦定理计算:

2.3 计算Y向差值Ei、Ei'

2.4 由三角边长 Li、Li'和 Y向差值 Ei、Ei'求解实长Sc(i)、Sc(i')

2.5 展开图绘制

确定各边实长之后，依照相邻关系绘制各三角形，如图3所示。

图3 1/2展开示意图

2.6 编制展开程序注意事项

按照上述展开方法，如果不利用计算机语言编制计算程序，而单纯依靠Excel等应用程序计算，很容易发生错误，并且很难发现错误。利用CAD自带的开发语言LISP编写展开程序(或用其他计算机语言)，计算准确、快捷，并可以将计算结果存放于数据、图形、文本等多种类型的文件中，方便查询，对制作生产非常便利。

在编程过程中应特别注意以下问题的处理:

a.展开程序是按照中性层尺寸进行的，因此展开计算之前应该根据实样尺寸进行板厚处理，求得中性层尺寸(P上、P下、R上、R下、Z上、Z下、β)。

b.计算步长依据工件尺寸确定，一般步长越小，计算结果越精确。但是步长太小将导致展开三角形顶角过小，从而导致使用三角和反三角函数等过程计算数据过大或者过小，超过计算机有效数位，产生溢出，导致误差增大。一般计算步长按照管节窄边(00')与比值在1～2之间为宜。

c.注意断面中弧线与直线交点的处理。在使用三角法展开工件时，上口和下口断面直线段对应直线段，不进行等分，展开后为梯形;弧线段对应弧线段，按照计算步长要求等分，展开后为三角形。

程序编制完成之后，进行检验计算，核对特征点数据和展开图。核准无误后，依次计算各管节展开图并编号。

3 排板下料

按照钢板尺寸和焊缝拼接错缝要求，本着省料、省工(切割和焊接工作量)的原则进行排板。在电脑中模拟管节分块并编号、排版，求得最佳排版方案:即钢板用量省(剩余料块较大，方便在后续工作中使用);切割和焊接工作量少;两者统筹兼顾，达到制作成本最低。

布尔津山口水电站肘管制作工程中通过电脑模拟排版，分块、排版过程如图4所示。通过反复模拟比较，整板利用率和钢材利用率都得到了较大提高，整版利用率达到80%，钢材综合利用率达到85%以上。

图4 管节分块、排板下料示意图

4 压制与成型

由于弯肘型尾水肘管各条素线不集中交于一点，在压制过程中如果只按一个方向的素线(如图3中1-1'、2-2'、N-N'素线)压制将形成螺旋上升型瓦片，无法拼合成型。按照三角形展开原理，肘管是由许多个三角形组成的面拼合而成的，而不是梯形面拼合而成的。因此，按1-1'方向的全部素线压制完成后，还必须按照1'-2、2'-3方向素线压制。瓦片压制完成后，在地样平台上检验上下两个端口与地样的吻合度。

瓦片检验合格后，进行小节拼接。考虑到瓦片运输因素，布尔津山口水电站大机尾水肘管分成40个瓦片出厂，在工地加工厂进行整体拼装。出厂前，尾水肘管进行了试拼装。

5 结语

金属结构件制作过程中，展开计算是关系到排板下料、拼装组对等后续工序能顺利完成的重要前提，合理排板是节约材料、减少工作量的关键所在。

目前布尔津山口水电站尾水肘管已经安装完成，经检测各项制作安装指标符合规范要求，制作安装质量等级达到优良。❋