水电站压力管道布置设计

课程课程设计学院：水利学院 专业：水利水电工程 科目：水电站 课题：水电站压力管道课程设计 名： 设计说明压力管道的设计步骤一般包括：(1)压力管功能布置；(2)压力管固定方法、设计；(3)压力管应力分析、计算；(4)压力管强度校核；(5)压力1、最大发电流量Qmax=16m3/s；4、管轴线与水平线夹角35o；6、镇墩与地基摩擦系数f=0.5；7、支墩与管身摩擦系数f=0.3；8、伸缩节摩擦系数f=0.4；s9.水轮机调节时间T=5~6S。s布置要尽可能选择短而直的线路，明钢管敷设在陡峭的山坡上；尽量选条件，明钢管敷设在坚固而稳定的山坡上，支墩和镇墩尽量设在坚固的岩基上，并清除表面覆盖层；尽量减少管道的起伏波折，避免出现反坡，利于管道排空，明钢管底部应高出地表至少0.6米，以便安装和检修；避开可能发生山崩或滑坡的区，明钢管尽量沿山脊布置，避免布置在山水集中的山谷中，若明钢管之上有坠石或可能崩塌的峭壁，要事先清除；首部设事故闸门，并考虑设置事故排水和防冲设施。三、明钢管的固定、设计，在首尾设镇墩，两镇墩之间设伸缩节。伸缩节布置明钢管的设计/26(1)管径的确定D=7√Qmax=16ms/sH=1000m−850m=150mD=7√=7√=2.03m≈2.05m(2)管长确定长L==249.313m≈249.3msin35°L=249.3+5+5=259.3m总明钢管水锤波速可近似的取为1000m/s，已知水轮机调节时间T=5~6S。s2L2×259.3=C1000=0.52ssC水轮机开度的调节时间T=5~6s>2L=0.52ssC2.第一项水击与极限水击判断ooτ<1。ρ为水锤常数。当ρτ<oo外的各种水锤现象统统归入极限水击一类。Q16maxAπ(2.05/2)2V=max==maxAπ(2.05/2)2CV1000×4.85ρ=max==1.6502gH2×9.81×1500σ=maxgH0Tsξ=m2−σLV259.3×4.85σ=max==0.17kpagH0Ts9.81×150×52σ2×0.17ξ===0.186kpam2−σ2−0.174.水击常数的计算CV1000×4.85ρ=max==1.6502gH2×9.81×1430H水锤压强，令ξ=0∆H=ξmH0=0.186×150=27.9mHp=H0+∆H=150+27.9=177.9m五、压力管应力分析及结构设计根据应用条件，明钢管的设计荷载有：(1)内水压力；(2)钢管自重； (3)温度变化引起的力；(4)镇墩和支墩不均匀沉陷引起的力；(5)风荷载和雪荷载；(6)施工荷载；(7)地震荷载；(8)管道放空时通气设备造成的计算锈蚀裕度。考虑制造工艺、安装、运输等要求，管壁的最小结构厚度不宜小于Dδ≥+γHDδ=δ0+2mm=2[]+2mmpmmcmmm3.荷载组合选择(A1、2、5、7、8)(1)水管自重的轴向分力A1A1=gTL1sinφgT=ρsgπDδ0=785×9.81×3.14×2.05×0.18×10−3=8.92KN/mA1=gTL1sinφ=8.92×249.3×sin35°=1275.49KN(2)作用在阀门或堵头上的内水压力A2πγHπ3.14γH=4×2.052×9.8×177.9=5751.48KN(3)伸缩节变化处的内水压力A5πA5=4(D−D)γHπ取填料厚度为22mm，所以D1=2.05+2×(0.018+0.022)=2.13m,D2为2.05m。H=1000−990=10m所以ππA5=4(D−D)γH=4(2.132−2.052)×9.8×10=25.74ππ(4)温度变化时伸缩节填料的摩擦力A7A7=πD1bfkγHA7=πD1bfkγH=3.14×2.13×0.15×0.4×9.8×10=39.33KN(5)温度变化时水管与支墩的摩擦力A8pwA8=∑f(Q+Q)pw支墩与管身摩擦系数f=0.3；Qp=gT=8.92KN/m；每米水重：3.14ww44Q=ρgD2=1×9.8××ww44A8=∑f+Qwcosφ=0.3×41.25×249.3×cos35°=2527.16KN(6)总应力∑A=A1+A2+A5+A7+A8∑A=1275.49+5751.48+25.74+39.33+2527.16=9619.2KN.计算断面(跨中断面1-1断面)(1)切向(环向)应力的ᵭᵬ−4δcosθcosφ对于水电站压力管道，等号右端的第二项是次要的，只有当Dcosθcosφ>20.05H时才有计入的必要(低水头大流量才有用，高水头的不考虑)。所以计pθ2δ2×18σ=γHDp=0.001×17790×θ2δ2×18(2)径向应力ᵭᵂ管壁内表面的径向应力σ等于该处的内水压强，即：rσ=−γHrp6rpσ=−γH=−0.001×17790rp(3)轴向应力ᵭᵃ断面的轴向应力σx由两部分组成，即有水重和管重引起的轴向弯曲应x及各轴向力引起的应力σx3。q=gT+Qw=8.92+32.33=41.25KNM4Mσ=−y=−cosθx1JπD2δx1x14M4×337.9×103σ=∓==5.69×106pa=5.69Mpax1πD2δ3.14×2.052×0.018x3πDδσx3πDδσ=∑A=9619.2×103=83.02×106pa=83.02Mpax3πDδ3.14×2.05×18×10−3x=x1x3σσ+σ=5.69+x=x1x3度校核钢管的工作处于三维应力状态，强度校核的方法是求出计算应力并与容许力作比较，而不是直接采用某一方向的应力与容许应力作比较。钢管的强度第四强度理论，其强度条件为σ=√[(σx−σr)2+(σr−σθ)2+(σxθ−σx)2]+3(τr+τθ+τ)≤∅[σ]σ=√σ+σ−σxσθ+3τ≤∅[σ]取∅=0.90，所以σ=√88.712+101.32−88.71×101.3=95.63≤∅[σ]=0.90×120=108该压力钢管在正常运行时充满水的情况，强度校核满足第三强度理论条件。七、压力管抗外压稳定计算钢管是一种薄壳结构。能承受较大的内水压力，但抵抗外压能力较低。在在不同的外压作用下，有多种管壁稳定问题。明钢管在均匀径向外压作用对于沿轴线可以自由伸缩的无加劲环的明钢管，管壁的临界外压δ3crD钢的弹性模量E=2.0×105crD钢的弹性模量E=2.0×105Mpaδ3183P=2P=2E()=2×2×105×()=0.271Mpa>0.2ᵄᵅᵄEP=crn2l2(P=crn2l2()+×[n2−1+()+×[n2−1+]()r12(1−2)1+n2l2rn=1.63D0.5lD0.25δ镇墩一般布置在管道的转弯处，以承受因管道改变方向而产生的不平衡力，将管道固定在山坡上，不允许管道在镇墩处发生任何位移。在管道的直线段，若长度超过150m，在直线段的中间也应设至镇墩。在压力钢管进水口及下游出水口折管段分别布置首末镇墩，由于压力钢管长度超过150m，所以宜在斜管段(1)下镇墩计算ΣX=ΣAcosᵱ−ᵃ2ΣX=ΣAcosᵱ−ᵃ2=9619.2cos35°−5751.48=2128.11ᵅᵄΣY=Σᵃsinᵱ=9619.2sin35°=5517.35ᵅᵄG=ᵃΣᵄᵅᵅᵅ−Σᵄ=−5517.35=2995.09ᵅᵄ查规范可得混凝土的容重γ=25kN/ᵅ3；H=2d+D=2×0.7+2.05=3.45mᵃV==ᵃ∙ᵃ∙ᵃᵯ则L=ᵃᵃᵃᵯ==9.78ᵅᵅΣᵄᵃΣᵄ3.5×2128.11ᵃ=(Σᵄ+ᵃ)⟹e=2(Σᵄ+ᵃ)=2(5517.35+2995.09)=0.438ᵅ2ᵃ9.78e=0.438ᵅ<==1.63ᵅ(2)中镇墩计算ΣX=ΣAcosᵱ−ᵃ=4875.235cos35°−2938.39=1055.169ᵅᵄ中2中ΣY=Σᵃsinᵱ=4875.235sin35°=2796.32ᵅᵄᵃΣᵄ2.0×1055.169G=ᵅ−Σᵄ=−2796.32=1424.356ᵅᵄᵅᵅ0.5ᵅ查规范可得混凝土的容重γ=25kN/ᵅ3；H=2d+D=2×0.7+2.05=3.45mV=ᵃᵯ=ᵃ∙ᵃ∙ᵃ则ᵃ1424.356L===4.651ᵅᵃᵃᵯ3.5×3.5×25ᵅΣᵄᵃΣᵄ3.5×1055.169ᵃ=(Σᵄ+ᵃ)⟹e=2(Σᵄ+ᵃ)=2(2796.32+1424.356)=0.438ᵅ2ᵃ4.6516e=0.438ᵅ<==6m径(1)荷载计算ᵆᵄQ=ᵅᵅcos35°=8.92×10×cos35°ᵆᵄᵆᵆᵄ=ᵅᵅcos35°=32.33×10×cos35°=ᵆᵆᵃ1=(Qᵆ+ᵄᵆ)ᵅ0ᵃ1=(Qᵆ+ᵄᵆ)ᵅ0=(73.07+264.83)×0.3=101.37ᵅᵄ考虑温度变化时的荷载分别ᵃ=ᵅᵅᵅcosᵯᵅ=ᵅ=ᵅ+ᵅ=8.92+32.33=41.25ᵅᵄ/ᵅᵅ为支墩与管身摩擦系数f=0.3；则：ᵃ=ᵅᵅᵅcosᵯ=41.25×10×0.3×cos35°=101.37ᵅᵄΣX=−ᵃ∙cosᵯ−(Qᵆ+ᵄᵆ)sinᵯΣX=−101.37×cos35°−338sin35°=−276.91ᵅᵄΣY=−ᵃ∙sinᵯ+(Qᵆ+ᵄᵆ)cosᵯΣY=−101.37×sin35°+338cos35°=218.73ᵅᵄ33ᵆᵆΣX=ᵃ1∙cosᵯ−(Q+ᵄ3ᵆᵆΣX=101.37×cos35°−338sin35°=−110.83ᵅᵄ3ᵆᵆΣY=ᵃ1∙sinᵯ+(Q+ᵄ)3ᵆᵆΣY=101.37×sin35°+338cos35°=335.02ᵅᵄ(2)抗滑计算ckG=ᵃᵅΣXᵅᵅ−Σᵄ=1.5×276.9103−218.73=1165.82ᵅᵄG=ᵃᵅΣXᵅᵅ−Σᵄ=1.5×110.8303−335.02=219.13ᵅᵄ算kN混凝土的容重γ=25KN/m3,支墩的理论体积ᵃV==VBHm，长ᵄL=ᵃᵃ==3.8ᵅ计算书一、压力钢管管径、管厚及水击计算DQ3maxHQmax=16ms/s H=1000m−850m=150mD=7√5.2Q3maxH=7√=2.03m≈2.05m长L==249.313m≈249.3mL=249.3+5+5=259.3m总(1)直接与间接水击的判断2L2×259.3=C1000=0.52s水轮机开度的调节时间T=5~6s>2L=0.52s，故为间接水击。sC(2)第一项水击与极限水击判断V=Qmax=16=4.85m/smaxAπ(2.05/2)2CV1000×4.85ρ=max==1.6502gH2×9.81×1500σ=maxgH0Ts=m2−σLV259.3×4.85σ=max==0.17kpagH0Ts9.81×150×52σ2×0.17===0.186kpam2−σ2−0.17(3)水击常数的计算CV1000×4.85ρ=max==1.6502gH2×9.81×1430(4)动水头计算令=H0∆H=mH0=0.186×150=27.9mHp=H0+∆H=150+27.9=177.9mDδ≥+γHDδ=δ0+2mm=2[]+2mmγHD0.001×177.9×2052[σ]2×120(1−15%)δ=p+2mm=+0.2=2[σ]2×120(1−15%)(1)水管自重的轴向分力A1A1=gTL1sinφgT=ρsgπDδ0=785×9.81×3.14×2.05×0.18×10−3=8.92KN/mA1=gTL1sinφ=8.92×249.3×sin35°=1275.49KN(2)作用在阀门或堵头上的内水压力A2πγHπ3.14γH=4×2.052×9.8×177.9=5751.48KN(3)伸缩节变化处的内水压力A5πA5=4(D−D)γHπ取填料厚度为22mm，所以D1=2.05+2×(0.018+0.022)=2.13m,D2为2.05m。H=1000−990=10m所以ππA5=4(D−D)γH=4(2.132−2.052)×9.8×10=ππ(4)温度变化时伸缩节填料的摩擦力A7A7=πD1bfkγHA7=πD1bfkγH=3.14×2.13×0.15×0.4×9.8×10=39.33KN(5)温度变化时水管与支墩的摩擦力A8f(Q+Q)cosf(Q+Q)cosφ3.14ww44Q=ρgD2=1×9.8××2.05ww44A8=∑f(Qp+Qw)cosφ=0.3×41.25×249.3×cos35°=2527.16KNx3πDδx3πDδ(6)总荷载∑A=A1+A2+A5+A7+A8∑A=1275.49+5751.48+25.74+39.33+2527.16=9619.2KN(1)切向(环向)应力的σθγHD0.001×17790×2053Mpa(2)径向应力σrσ=−γHrpσ=−γH=−0.001×17790=−17.79Mparp(3)轴向应力σxq=gT+Qw=8.92+32.33=41.25KN11M=qL2cosα=×41.25×102×cos35°=337.9KNσ=−σ=−y=−cosθx1JπD2δ式中：J=πD3δ/8y=(Dcosθ)/2，在管顶和管底，θ=0°和180°y=∓D/4M4×337.9×103σx1=∓πD2δ=3.14×2.052×0.018=5.69×106pa=5.69Mpaσ=∑A9619.2×103σx3=πDδ=3.14×2.05×18×103=83.02×106pa=83.02Mpaσx=σx1+σx3=5.69+83.02=88.71Mpa4.压力管强度校核第三强度理论σ=√σ+σσxσθ+3τ≤∅[σ]取∅=0.90，所以σ=√88.712+101.3288.71×101.3=95.63≤∅[σ]=0.90×120=108定计算对于沿轴线可以自由伸缩的无加劲环的明钢管，管壁的临界外压δ3crDP=2E>crDδ3183crD2050P=2E=2×2×105×=0.271crD2050支墩设计(1)下镇墩计算ΣX=ΣAcosᵱᵃ2ΣX=ΣAcosᵱᵃ2=9619.2cos35°5751.48=2128.11ᵅᵄΣY=Σᵃsinᵱ=9619.2sin35°=5517.35ᵅᵄG=ᵃΣᵄᵅᵅᵅ−Σᵄ=−5517.35=2995.09ᵅᵄH=2d+D=2×0.7+2.05=3.45mᵃV==ᵃ∙ᵃ∙ᵃᵯL=ᵃᵃᵃᵯ==9.78ᵅᵅΣᵄᵃΣᵄ3.5×2128.11ᵃ=(Σᵄ+ᵃ)⟹e=2(Σᵄ+ᵃ)=2(5517.35+2995.09)=0.438ᵅ2ᵃ9.78e=0.438ᵅ<==(2)中镇墩计算ΣX=ΣAcosᵱ−ᵃ=4875.235cos35°−2938.39=1055.169ᵅᵄ中2中ΣY=Σᵃsinᵱ=4875.235sin35°=2796.32ᵅᵄG=ᵃΣᵄᵅᵅᵅ−Σᵄ=−2796.32=1424.356ᵅᵄH=2d+D=2×0.7+2.05=3.45mᵃV==ᵃ∙ᵃ∙ᵃ