水電站壓力管道布置設(shè)計(jì)

課程課程設(shè)計(jì)學(xué)院：水利學(xué)院 專業(yè)：水利水電工程 科目：水電站 課題：水電站壓力管道課程設(shè)計(jì) 名： 設(shè)計(jì)說明壓力管道的設(shè)計(jì)步驟一般包括：(1)壓力管功能布置；(2)壓力管固定方法、設(shè)計(jì)；(3)壓力管應(yīng)力分析、計(jì)算；(4)壓力管強(qiáng)度校核；(5)壓力1、最大發(fā)電流量Qmax=16m3/s；4、管軸線與水平線夾角35o；6、鎮(zhèn)墩與地基摩擦系數(shù)f=0.5；7、支墩與管身摩擦系數(shù)f=0.3；8、伸縮節(jié)摩擦系數(shù)f=0.4；s9.水輪機(jī)調(diào)節(jié)時間T=5~6S。s布置要盡可能選擇短而直的線路，明鋼管敷設(shè)在陡峭的山坡上；盡量選條件，明鋼管敷設(shè)在堅(jiān)固而穩(wěn)定的山坡上，支墩和鎮(zhèn)墩盡量設(shè)在堅(jiān)固的巖基上，并清除表面覆蓋層；盡量減少管道的起伏波折，避免出現(xiàn)反坡，利于管道排空，明鋼管底部應(yīng)高出地表至少0.6米，以便安裝和檢修；避開可能發(fā)生山崩或滑坡的區(qū)，明鋼管盡量沿山脊布置，避免布置在山水集中的山谷中，若明鋼管之上有墜石或可能崩塌的峭壁，要事先清除；首部設(shè)事故閘門，并考慮設(shè)置事故排水和防沖設(shè)施。三、明鋼管的固定、設(shè)計(jì)，在首尾設(shè)鎮(zhèn)墩，兩鎮(zhèn)墩之間設(shè)伸縮節(jié)。伸縮節(jié)布置明鋼管的設(shè)計(jì)/26(1)管徑的確定D=7√Qmax=16ms/sH=1000m?850m=150mD=7√=7√=2.03m≈2.05m(2)管長確定長L==249.313m≈249.3msin35°L=249.3+5+5=259.3m總明鋼管水錘波速可近似的取為1000m/s，已知水輪機(jī)調(diào)節(jié)時間T=5~6S。s2L2×259.3=C1000=0.52ssC水輪機(jī)開度的調(diào)節(jié)時間T=5~6s>2L=0.52ssC2.第一項(xiàng)水擊與極限水擊判斷ooτ<1。ρ為水錘常數(shù)。當(dāng)ρτ<oo外的各種水錘現(xiàn)象統(tǒng)統(tǒng)歸入極限水擊一類。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.水擊常數(shù)的計(jì)算CV1000×4.85ρ=max==1.6502gH2×9.81×1430H水錘壓強(qiáng)，令ξ=0?H=ξmH0=0.186×150=27.9mHp=H0+?H=150+27.9=177.9m五、壓力管應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)應(yīng)用條件，明鋼管的設(shè)計(jì)荷載有：(1)內(nèi)水壓力；(2)鋼管自重； (3)溫度變化引起的力；(4)鎮(zhèn)墩和支墩不均勻沉陷引起的力；(5)風(fēng)荷載和雪荷載；(6)施工荷載；(7)地震荷載；(8)管道放空時通氣設(shè)備造成的計(jì)算銹蝕裕度?？紤]制造工藝、安裝、運(yùn)輸?shù)纫螅鼙诘淖钚〗Y(jié)構(gòu)厚度不宜小于Dδ≥+γHDδ=δ0+2mm=2[]+2mmpmmcmmm3.荷載組合選擇(A1、2、5、7、8)(1)水管自重的軸向分力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)作用在閥門或堵頭上的內(nèi)水壓力A2πγHπ3.14γH=4×2.052×9.8×177.9=5751.48KN(3)伸縮節(jié)變化處的內(nèi)水壓力A5πA5=4(D?D)γHπ取填料厚度為22mm，所以D1=2.05+2×(0.018+0.022)=2.13m,D2為2.05m。H=1000?990=10m所以ππA5=4(D?D)γH=4(2.132?2.052)×9.8×10=25.74ππ(4)溫度變化時伸縮節(jié)填料的摩擦力A7A7=πD1bfkγHA7=πD1bfkγH=3.14×2.13×0.15×0.4×9.8×10=39.33KN(5)溫度變化時水管與支墩的摩擦力A8pwA8=∑f(Q+Q)pw支墩與管身摩擦系數(shù)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)總應(yīng)力∑A=A1+A2+A5+A7+A8∑A=1275.49+5751.48+25.74+39.33+2527.16=9619.2KN.計(jì)算斷面(跨中斷面1-1斷面)(1)切向(環(huán)向)應(yīng)力的???4δcosθcosφ對于水電站壓力管道，等號右端的第二項(xiàng)是次要的，只有當(dāng)Dcosθcosφ>20.05H時才有計(jì)入的必要(低水頭大流量才有用，高水頭的不考慮)。所以計(jì)pθ2δ2×18σ=γHDp=0.001×17790×θ2δ2×18(2)徑向應(yīng)力??管壁內(nèi)表面的徑向應(yīng)力σ等于該處的內(nèi)水壓強(qiáng)，即：rσ=?γHrp6rpσ=?γH=?0.001×17790rp(3)軸向應(yīng)力??斷面的軸向應(yīng)力σx由兩部分組成，即有水重和管重引起的軸向彎曲應(yīng)x及各軸向力引起的應(yīng)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度校核鋼管的工作處于三維應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)度校核的方法是求出計(jì)算應(yīng)力并與容許力作比較，而不是直接采用某一方向的應(yīng)力與容許應(yīng)力作比較。鋼管的強(qiáng)度第四強(qiáng)度理論，其強(qiáng)度條件為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該壓力鋼管在正常運(yùn)行時充滿水的情況，強(qiáng)度校核滿足第三強(qiáng)度理論條件。七、壓力管抗外壓穩(wěn)定計(jì)算鋼管是一種薄殼結(jié)構(gòu)。能承受較大的內(nèi)水壓力，但抵抗外壓能力較低。在在不同的外壓作用下，有多種管壁穩(wěn)定問題。明鋼管在均勻徑向外壓作用對于沿軸線可以自由伸縮的無加勁環(huán)的明鋼管，管壁的臨界外壓δ3crD鋼的彈性模量E=2.0×105crD鋼的彈性模量E=2.0×105Mpaδ3183P=2P=2E()=2×2×105×()=0.271Mpa>0.2???EP=crn2l2(P=crn2l2()+×[n2?1+()+×[n2?1+]()r12(1?2)1+n2l2rn=1.63D0.5lD0.25δ鎮(zhèn)墩一般布置在管道的轉(zhuǎn)彎處，以承受因管道改變方向而產(chǎn)生的不平衡力，將管道固定在山坡上，不允許管道在鎮(zhèn)墩處發(fā)生任何位移。在管道的直線段，若長度超過150m，在直線段的中間也應(yīng)設(shè)至鎮(zhèn)墩。在壓力鋼管進(jìn)水口及下游出水口折管段分別布置首末鎮(zhèn)墩，由于壓力鋼管長度超過150m，所以宜在斜管段(1)下鎮(zhèn)墩計(jì)算ΣX=ΣAcos???2ΣX=ΣAcos???2=9619.2cos35°?5751.48=2128.11??ΣY=Σ?sin?=9619.2sin35°=5517.35??G=?Σ?????Σ?=?5517.35=2995.09??查規(guī)范可得混凝土的容重γ=25kN/?3；H=2d+D=2×0.7+2.05=3.45m?V==??????則L=????==9.78??Σ??Σ?3.5×2128.11?=(Σ?+?)?e=2(Σ?+?)=2(5517.35+2995.09)=0.438?2?9.78e=0.438?<==1.63?(2)中鎮(zhèn)墩計(jì)算ΣX=ΣAcos???=4875.235cos35°?2938.39=1055.169??中2中ΣY=Σ?sin?=4875.235sin35°=2796.32???Σ?2.0×1055.169G=??Σ?=?2796.32=1424.356????0.5?查規(guī)范可得混凝土的容重γ=25kN/?3；H=2d+D=2×0.7+2.05=3.45mV=??=?????則?1424.356L===4.651????3.5×3.5×25?Σ??Σ?3.5×1055.169?=(Σ?+?)?e=2(Σ?+?)=2(2796.32+1424.356)=0.438?2?4.6516e=0.438?<==6m徑(1)荷載計(jì)算??Q=??cos35°=8.92×10×cos35°?????=??cos35°=32.33×10×cos35°=???1=(Q?+??)?0?1=(Q?+??)?0=(73.07+264.83)×0.3=101.37??考慮溫度變化時的荷載分別?=???cos??=?=?+?=8.92+32.33=41.25??/??為支墩與管身摩擦系數(shù)f=0.3；則：?=???cos?=41.25×10×0.3×cos35°=101.37??ΣX=???cos??(Q?+??)sin?ΣX=?101.37×cos35°?338sin35°=?276.91??ΣY=???sin?+(Q?+??)cos?ΣY=?101.37×sin35°+338cos35°=218.73??33??ΣX=?1?cos??(Q+?3??ΣX=101.37×cos35°?338sin35°=?110.83??3??ΣY=?1?sin?+(Q+?)3??ΣY=101.37×sin35°+338cos35°=335.02??(2)抗滑計(jì)算ckG=??ΣX???Σ?=1.5×276.9103?218.73=1165.82??G=??ΣX???Σ?=1.5×110.8303?335.02=219.13??算kN混凝土的容重γ=25KN/m3,支墩的理論體積?V==VBHm，長?L=??==3.8?計(jì)算書一、壓力鋼管管徑、管厚及水擊計(jì)算DQ3maxHQmax=16ms/s H=1000m?850m=150mD=7√5.2Q3maxH=7√=2.03m≈2.05m長L==249.313m≈249.3mL=249.3+5+5=259.3m總(1)直接與間接水擊的判斷2L2×259.3=C1000=0.52s水輪機(jī)開度的調(diào)節(jié)時間T=5~6s>2L=0.52s，故為間接水擊。sC(2)第一項(xiàng)水擊與極限水擊判斷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)水擊常數(shù)的計(jì)算CV1000×4.85ρ=max==1.6502gH2×9.81×1430(4)動水頭計(jì)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)水管自重的軸向分力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)作用在閥門或堵頭上的內(nèi)水壓力A2πγHπ3.14γH=4×2.052×9.8×177.9=5751.48KN(3)伸縮節(jié)變化處的內(nèi)水壓力A5πA5=4(D?D)γHπ取填料厚度為22mm，所以D1=2.05+2×(0.018+0.022)=2.13m,D2為2.05m。H=1000?990=10m所以ππA5=4(D?D)γH=4(2.132?2.052)×9.8×10=ππ(4)溫度變化時伸縮節(jié)填料的摩擦力A7A7=πD1bfkγHA7=πD1bfkγH=3.14×2.13×0.15×0.4×9.8×10=39.33KN(5)溫度變化時水管與支墩的摩擦力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)總荷載∑A=A1+A2+A5+A7+A8∑A=1275.49+5751.48+25.74+39.33+2527.16=9619.2KN(1)切向(環(huán)向)應(yīng)力的σθγHD0.001×17790×2053Mpa(2)徑向應(yīng)力σrσ=?γHrpσ=?γH=?0.001×17790=?17.79Mparp(3)軸向應(yīng)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，在管頂和管底，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.壓力管強(qiáng)度校核第三強(qiáng)度理論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定計(jì)算對于沿軸線可以自由伸縮的無加勁環(huán)的明鋼管，管壁的臨界外壓δ3crDP=2E>crDδ3183crD2050P=2E=2×2×105×=0.271crD2050支墩設(shè)計(jì)(1)下鎮(zhèn)墩計(jì)算ΣX=ΣAcos??2ΣX=ΣAcos??2=9619.2cos35°5751.48=2128.11??ΣY=Σ?sin?=9619.2sin35°=5517.35??G=?Σ?????Σ?=?5517.35=2995.09??H=2d+D=2×0.7+2.05=3.45m?V==??????L=????==9.78??Σ??Σ?3.5×2128.11?=(Σ?+?)?e=2(Σ?+?)=2(5517.35+2995.09)=0.438?2?9.78e=0.438?<==(2)中鎮(zhèn)墩計(jì)算ΣX=ΣAcos???=4875.235cos35°?2938.39=1055.169??中2中ΣY=Σ?sin?=4875.235sin35°=2796.32??G=?Σ?????Σ?=?2796.32=1424.356??H=2d+D=2×0.7+2.05=3.45m?V==?????