基于CAD和三维软件CATIA的月牙肋岔管体型设计

王 茜，刘永孝，刘洁玉

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.陕西沣西新城投资发展有限公司，西安 712000)

1 工程简介

月牙肋岔管是三梁岔管的一种发展，月牙肋岔管用一个完全嵌入管壳内的月牙肋板代替三梁岔管的U形梁，并按月牙肋主要承受轴向拉力的原则来确定月牙肋板的尺寸。月牙肋岔管具有良好的流态，受力明确，水头损失小，结构可靠，制造安装容易等特点，在国内外大中型常规和抽水蓄能电站地下埋管中得到广泛应用[1-2]。

某水电站为引水式电站，引水系统位于左岸山体内，洞线长度约19.1 km。电站初拟额定水头253 m，设计引用流量228 m3/s，电站总装机容量510 MW。建筑物由电站进水口、引水隧洞、调压室、压力管道等部分组成。电站引水线路采用1洞3机的供水方式，压力钢管(D=7.4 m)后接“卜”形月牙肋1、2号钢岔管，后接3条支管(D=4 m)。主管轴线和支管轴线夹角为64.69°。

2 体型设计

以往对岔管的体型设计基本上都采用DL/T 5141—2001《水电站压力钢管设计规范》[3]中的数解法，过程较为繁琐。本文采用CAD结合三维设计软件CATIA进行岔管的体型设计，使得岔管的体型设计变得简单可行。先以本工程1号岔管为例，简要介绍应用CAD结合三维设计软件进行岔管体型设计的步骤。

2.1 设计步骤

(1) 确定主、支管管径、支管轴线夹角及公切球半径。

由工程资料可知，1号岔管主管的直径为7 400 mm，与2号岔管相连的支管直径为6 000 mm，另一支管直径为4 000 mm，两支管轴线夹角为64.69°。由文献[3]中10.2可知，最大公切球半径R宜取为主管半径的(1.1～1.2)倍，这里暂定R为1.15倍主管半径，即为8 510 mm。公切球球心在2号岔管相连的支管轴线上。

(2) 确定岔管钝角区及锐角区转角，绘制岔管主锥管和支锥管。

依据文献[3]要求，钝角区腰线转折角、支管腰线转折角不宜大于15°；最大直径处腰线转折角不宜大于12°。在确定钝角区及锐角区转角的同时，必须使得环向焊缝间距满足规范要求。一般来说，当两锥管之间的腰线转折角增大时，环向焊缝的间距就增大，反之环向焊缝的间距就减小，这两者是一对矛盾体。所以这一步是比较麻烦的，要进行多次调整，在满足规范的前提下使得岔管的体型尽量平顺。经过多次调整，绘制主锥及过渡锥管体型见图1。

图1 过渡锥管及主锥管绘制过程图 单位：mm

(3) 确定岔管相贯线和轴线

连接三锥腰线的交点，即得到岔管的相贯线。各相邻管节之间都存在一公切球，连接各相邻管节公切球的圆心，即得到岔管轴线。岔管轴线绘出后，可得到岔管的分叉角为78.1°。需注意分叉角必须满足规范要求，若不满足，则回到第2步，重新调整。

图2 1号岔管体型图 单位：mm

(4) 确定岔管过渡锥间的相贯线

卜形岔管连接两过渡锥的腰线转折点和两过渡锥公切球的切点就得到这2个过渡锥的相贯线，Y形岔管只需连接两对称的腰线转折点就得到相贯线。最后根据前面的主锥和过渡锥体型画出岔管体型，如图2所示。初步拟定体型后，还需要根据计算对岔管体型进行优化。

(5) 肋板体型设计

根据前面拟定的岔管体型，可利用三维软件建立岔管的三维模型，本文采用三维设计软件CATIA建立岔管的三维模型。CATIA的精度较高，建立的模型可后期直接导入Ansys中进行计算。建立的1号岔管的三维模型如图3所示。由建立好的模型中可以得到管壳相贯线，将得到的管壳相贯线导入CAD中。《小型水电站机电设计手册·金属结构》[4]一书中提出，按照月牙肋设计实践经验，提出用相贯线作月牙肋外缘线的基本轮廓，另加制作裕度来确定肋板外轮廓，内缘线按抛物线轮廓确定。由此可知，肋板体型设计主要是确定管壳相贯线和肋板内缘线。

文献[4]P364推荐公式(1)确定肋宽BT及肋板内缘轮廓线,肋板体型见图4。

BT=(BT/a)×a

(1)

式中:a为中面与肋中面交线的水平投影长，查三维软件作图：1号岔管a=4.587 m。BT/a为岔角ω23及运行工况查曲线得到为0.263%。

肋板内缘的抛物线方程为：

(2)

式中:y0=b,肋顶端底端距离的1/2；x0=a-BT。

这样，该岔管的体型设计已经完成。体型设计完成后，还需要通过有限元计算对体型进行优化。

图3 岔管三维模型图 单位：mm

图4 肋板体型图

2.2 体型设计中的几个问题

(1) 分叉角的选择

分叉角是影响月牙肋岔管的水力特性和结构特性的重要参数。文献[3]中规定，月牙肋岔管分叉角宜用55°～90°。岔管的水力特性和结构特性之间是存在矛盾的。分叉角较小，水流流态较好，对水流有利，但是对结构不利，因为分叉角越小，管壁相互切割的破口越大，使得肋板的尺寸变大，而且分叉角过小会增加加工制造的难度。分叉角较大，会增加岔管的水头损失，但是能减小管壁相互切割的破口，能有效减小肋板的尺寸。因此这就要在进行岔管体型设计时综合考虑各方面的要求，抓住主要方面。对于低水头电站，岔管的内压值较小，岔管的水头损失是岔管设计的主要方面，这时应多考虑一些水力方面的要求；反之，对于高水头大PD值岔管，结构特性更为重要，这时就应在设计中多考虑结构方面的要求，适当地增加分叉角，比如在70°～80°左右取值，可以适当地减小肋板的厚度和尺寸。

(2) 扩大率的选择

最大公切球半径与主管半径的比值称为岔管的放大率。若放大率大，岔管处的平均流速减小，岔管的水头损失减小，但是若放大率过大，水流会在分叉处与管壁脱离而产生涡流，反而会增大水头损失；并且放大率过大会增加岔管的管壁厚度。若扩大率过小，岔管处的平均流速增加，岔管的水头损失增加。文献[3]中规定放大率为1.1～1.2。一般情况下，当支管的断面面积与主管的断面面积比较接近时，放大率可取大些，反之可取小些。

(3) 腰线转折角的选择

当腰线转折角超过14°时，腰部的内中外表面的应力增长速度加快，管壁厚度可能由管壳腰部的内表面应力控制；当腰线转折角超过6°时， 管顶内表面的应力较大， 此时管壳厚度可能由管顶内表面应力控制；当转折角控制在6°～14°之间时，腰部和顶部管壳应力均较小，分布均匀[5]。因此在进行岔管体型设计时，宜使岔管的腰线转折角控制在6°～14°之间，可使岔管受力更加均匀。

3 结 语

(1) 本文利用CAD绘图软件结合三维设计软件CATIA进行了岔管的体型设计，大大简化了体型设计的过程。比起以往的数值解析法，该方法能够快速、准确、高效地设计岔管体型，极大地方便了设计者，并在一定程度上减少了人为的计算误差。经过工程实例的检验，表明这种设计方法是准确可靠的。

(2) 探讨了在岔管体型设计中一些关键参数的选取，总结了这些关键参数对岔管结构设计的影响，对以后岔管的设计工作有一定借鉴意义。

参考文献:

[1] 王志国.高水头大PD值内加强月牙肋岔管布置与设计[J].水力发电,2001,(10):56-58.

[2] 马善定,伍鹤皋,秦继章.水电站压力管道[M].武汉：湖北科学技术出版社,2002.

[3] DL/T 5141-2001,水电站压力钢管设计规范[S].北京：电力出版社,2002.

[4] 慌希之,唐怡生.小型水电站机电设计手册·金属结构[M].北京：水利水电出版社,1991.

[5] 杜芳琴,武鹤皋,石长征.月牙肋钢岔管设计中若干问题的探讨[J].水电能源科学,2012,(8):129-132.