月牙肋钢岔管锥管曲面导流板设计

岳 竹，姜新忠

（杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江杭州，310006）

月牙肋钢岔管锥管曲面导流板设计

岳 竹，姜新忠

（杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江杭州，310006）

现有钢岔管导流板设计研究成果在改善岔管内水流流态、设计以及施工等方面中存在一定不足，为此，提出了一种锥管曲面导流板设计方法，导流板曲面采用可以卷制的单曲率锥管曲面，导流板与月牙肋贴合平顺合理，并推导了导流板曲面方程。目前，锥管曲面导流板已成功运用于某水电站月牙肋钢岔管中。

月牙肋岔管；流态；导流板；锥管曲面

0 引言

岔管在引水系统中是用于分流或合流的一种布置型式，其间的水流方向、流态有较大的改变，是引水系统中水头损失较大之处[1]。随着引水式电站的广泛应用，岔管设计日益得到重视。近年来，内加强月牙肋钢岔管由于受力明确、结构合理、能改善水流流态、水头损失较小、制作安装简单，已经成为国内采用最多的岔管型式[2-3]。但当月牙肋插入较深、肋宽比较大时，肋板对水流影响相对较大，岔管内流态趋于复杂，水头损失增大，为了改善月牙肋岔管处水流流态，设置导流板是非常有必要的。

目前国内关于导流板设计的研究较少，国内制作的小直径三梁系岔管的导流板是敲制的，虽有利于流态，但制作较难。为了便于制作，采用可以进行卷制的单曲率曲面。张蓉生分析得出了圆柱曲面形式导流板的施工放样计算式[4]，朱大钧采用不同参数的三段锥管曲面设计导流板，但与肋面的交线在肋顶端位置仍存在着局部不吻合，给施工带来不方便[5]，笔者提出锥管曲面导流板的设计方法，并已应用在某引水电站月牙肋钢岔管设计中。

1 工程概况

某电站枢纽由拦河闸坝、发电引水系统、地面厂房等建筑物组成。发电引水系统采用“两机一洞”的布置方式，装机容量30 MW，设计引用流量37.60 m3/s，水轮机额定水头93.5 m。岔管为内加强月牙肋“卜”型岔管，分岔角为60°。与岔管相连接的主管直径3.4 m，左侧支管直径2.2 m，右侧支管直径2.3m。岔管公切球内半径4m，岔管壁厚25mm，月牙肋肋板厚度60 mm。由于月牙肋肋板插入较深、肋宽比较大，为了改善岔管的流态、减小水头损失，在岔管内设计一导流板，该工程岔管平面图见图1。

2 导流板曲面设计

图1 某电站岔管平面图Fig.1 Plan of branch pipe of a hydropower station

为了较好地发挥导流板改善水流流态的作用，并便于设计制作安装，该工程选择一段锥管曲面作为导流板曲面。导流板四周分别与月牙肋左右侧壁、支管内壁焊接，如图2所示。

图2 导流板与月牙肋衔接详图Fig.2 Connection detail of guide plate and crescent-rib

2.1 导流板曲面与月牙肋的相贯线

由于月牙肋的内缘曲线由结构计算确定[6]，为一抛物线，为了使导流板与月牙肋板平顺衔接，导流板曲面与月牙肋肋面的相贯线宜为抛物线。根据解析几何可知，当月牙肋肋面与圆锥面的准线平行，且不过圆锥顶点时，圆锥面与月牙肋的相贯线为抛物线。

该工程钢岔管月牙肋体型如图3所示，其中S1为月牙肋中面与锥管钢岔管内壁相贯线，S2为月牙肋外缘曲线，S3为月牙肋内缘曲线，其方程为：

为了最大程度地改善岔管内腔水流流态，导流板圆锥曲面与月牙肋肋面的相贯线宜与月牙肋内缘曲线尽量吻合，同时考虑到月牙肋与导流板的焊接空间，最终确定导流板圆锥曲面与月牙肋肋面的相贯线为月牙肋内缘曲线向内侧偏移0.05 m，即图3中的S0曲线，其方程为：

将坐标原点移动至S0曲线顶点，x轴正向旋转180°，则S0的曲线方程为：

图3 月牙肋体型图Fig.3 Shape of crescent-rib

2.2 导流板曲面

如图4所示，在坐标系O0X0Y0Z0中，直线L、L′为圆锥曲面的准线，其方程分别为式（4）、（5）；圆锥曲面为直线L或L′绕 z0轴旋转一周，顶点为(0,0,0)，其方程为式（6）；平面xoy与直线L平行，过点o，点o为直线L′上的一点，其坐标(0,-a,b)，其中b=a/tan(β/2)，平面xoy的方程为式（7）；圆锥曲面与平面xoy的交线S0方程为式（8）；交线S0在坐标系OXYZ中的方程为式（9）。

图4 平面与圆锥相交平面图Fig.4 Intersection of plane and cone

图5 导流板设计图Fig.5 Design of guide plate

导流板圆锥曲面与月牙肋肋面相贯线的方程S0为：

由式10可得，a（a′）=2.280（2.442）mm。

根据a、β（a′、β′）值即可确定左（右）支锥管导流板圆锥曲面在平面x0o0y0中的另一条准线OC（O′C′），导流板圆锥曲面随之确定。

导流板圆锥曲面的方程为：

如图6，抛物线O′AO′为月牙肋中面与锥管岔管内壁相贯线S1，抛物线O′BO′为导流板圆锥曲面与月牙肋肋面的相贯线S0，空间曲线O′CO′为导流板圆锥曲面与岔管支锥管的相贯线。则在导流板圆锥曲面中抛物线O′BO′与空间曲线O′CO′所包的锥壳即为该岔管左支管的导流板曲面。

图6 锥管曲面导流板示意图Fig.6 Guide plate with conical surface

导流板主要是按流态方面的要求设计的，理论上导流板不承受荷载，为了便于卷制，导流板采用壁厚为10 mm Q235C钢材。为了平衡导流板两侧的水压力，使其不承受荷载，在导流板上开孔，孔径ϕ12 mm，间距300 mm。

3 设计成果分析

设置锥管曲面导流板后该工程岔管如图7所示。内加强月牙肋岔管要求水流在遇到肋板分流后，流速应加快，以避免涡流、减少水头损失。在内加强肋与管壳的相交处设导流板，势必减少水流的过流面积，因此，导流板曲面设计时，应保证水流分岔处截面积大于分岔后各支管截面积之和。设置导流板后水流分岔处及分岔后的断面如图8所示，过流面积变化如表1所示（各断面位置见图1）。因此，设置锥管曲面导流板后，水流遇到导流板后流速、流态满足要求。

图7 岔管体型图Fig.7 Shape of branch pipe

表1 岔管设置导流板后过流面积Table 1 Flow area of branch pipe after setting guide plate

图8 岔管设置导流板后沿水流方向断面图Fig.8 Section of branch pipe after setting guide plate(along di⁃rection of the flow)

4 结语

该电站钢岔管导流板采用一段锥管曲面，锥管曲面与月牙肋肋面的交线与月牙肋的内缘曲线完全吻合，简化了导流板设计，同时锥管曲面为可展曲面，施工较为方便。水流遇到该导流板曲面分流后，水流逐渐加速，水头损失减少。因此，月牙肋钢岔管导流板采用锥管曲面不仅改善了岔管内流态，同时简化了导流板设计施工，便于实际工程应用。 ■

[1]王仁坤,张春生.水工设计手册(第8卷)·水电站建筑物[M].北京:中国水利水电出版社,2013.

[2]王新,张晓宏.Y型月牙肋岔管导流板的水力特性试验研究[J].西北水力发电,2006,22(5):13-15.

[3]刘沛清,屈秋林,王志国,等.内加强月牙肋三岔管水力特性数值模拟[J].水利学报,2004(3):42-46.

[4]张蓉生.月牙肋岔管导流板的设计及施工放样[J].水力发电,1991(11):63-66.

[5]朱大钧.红林电站月牙肋岔管导流板设计[M]//钟秉章.水电站压力管道、岔管、蜗壳.杭州:浙江大学出版社,1994: 224-228.

[6]SL 281-2003,水电站压力钢管设计规范[S].

作者邮箱：3061243001@163.com

Design of guide plate with conical surface in crescent-rib reinforced branch pipe

by YUE Zhu and JIANG Xin-zhong
Hangzhou Design Institute of Water Conservancy and Hydropower Co.,Ltd.

The existing design of guide plate in reinforced branch pipe has some deficiencies in the im⁃provement of flow regime inside design and construction.A design method of guide plate with conical surface is presented in this paper.The rolling conical surface with single curvature is chosen as guide plate surface,which could make joint of the guide plate and the crescent-rib smooth and reasonable. And the surface equation of the flow guide plate is derived.At present,the guide plate with conical sur⁃face has been successfully applied to the crescent-rib reinforced branch pipe of a hydropower station.

crescent-rib reinforced branch pipe;flow regime;guide plate;conical surface

TV732.4

A

1671-1092（2016）05-0001-04

2016-03-04

岳 竹（1987-），女，山西晋中人，工程师，研究方向为水工结构。