文智敏

(新疆匯通水利電力工程建設(shè)有限公司 烏魯木齊 830000)

尾水管是水輪機(jī)組流道的一部分，其主要作用是排水和回收能量。尾水管結(jié)構(gòu)形式一般由水輪機(jī)制造廠通過水力模型試驗確定，主要的型式有:直錐型。適合于小型水輪機(jī);彎錐型。適合于臥軸水輪機(jī);彎肘型。適合于大中型水輪機(jī)。彎肘型尾水管可以減小廠房開挖深度，改善水力性能效果明顯，在大中型水輪機(jī)組中得到普遍采用。彎肘型尾水管由錐管段、肘管和水平擴(kuò)散段三大部分組成。錐管和水平擴(kuò)散段展開計算簡單、下料卷制工藝非常成熟，本文不贅述。下面以新疆布爾津山口水電站大機(jī)尾水肘管為例，重點介紹尾水肘管展開計算、排板及壓制成型。

1 工程實例

布爾津山口水電站大機(jī)肘管俯視圖及斷面形式及尺寸見圖1、下表。

圖1 布爾津山口水電站大機(jī)肘管側(cè)視圖及斷面形式圖

布爾津山口水電站大機(jī)肘管各斷面尺寸表

續(xù)表

2 展開模型的建立和展開方法

按照上表推算中性面尺寸，按照中性面尺寸建立任意管節(jié)展開放樣計算模型，如圖2所示。

圖2 任意管節(jié)示意圖

幾何體展開的方法主要有平行線法、射線法和三角形法。由于尾水肘管各素線既不相互平行、又不能全部集交于一點，因此只能采用三角形法進(jìn)行展開計算。

由各斷面尺寸表可求得圖中如下參數(shù):P上、P下、R上、R下、Z上、Z下、β;計算步長 δ為已知，可根據(jù)需要擬定，一般步長越小，展開計算精度越高。

2.1 計算 P上(i)、P下(i)

2.2 計算投影長度Li、Li'

根據(jù) P上(i-1)、P下(i)、Li';P上(i)、P下(i)、Li等多個三角形，利用余弦定理計算:

2.3 計算Y向差值Ei、Ei'

2.4 由三角邊長 Li、Li'和 Y向差值 Ei、Ei'求解實長Sc(i)、Sc(i')

2.5 展開圖繪制

確定各邊實長之后，依照相鄰關(guān)系繪制各三角形，如圖3所示。

圖3 1/2展開示意圖

2.6 編制展開程序注意事項

按照上述展開方法，如果不利用計算機(jī)語言編制計算程序，而單純依靠Excel等應(yīng)用程序計算，很容易發(fā)生錯誤，并且很難發(fā)現(xiàn)錯誤。利用CAD自帶的開發(fā)語言LISP編寫展開程序(或用其他計算機(jī)語言)，計算準(zhǔn)確、快捷，并可以將計算結(jié)果存放于數(shù)據(jù)、圖形、文本等多種類型的文件中，方便查詢，對制作生產(chǎn)非常便利。

在編程過程中應(yīng)特別注意以下問題的處理:

a.展開程序是按照中性層尺寸進(jìn)行的，因此展開計算之前應(yīng)該根據(jù)實樣尺寸進(jìn)行板厚處理，求得中性層尺寸(P上、P下、R上、R下、Z上、Z下、β)。

b.計算步長依據(jù)工件尺寸確定，一般步長越小，計算結(jié)果越精確。但是步長太小將導(dǎo)致展開三角形頂角過小，從而導(dǎo)致使用三角和反三角函數(shù)等過程計算數(shù)據(jù)過大或者過小，超過計算機(jī)有效數(shù)位，產(chǎn)生溢出，導(dǎo)致誤差增大。一般計算步長按照管節(jié)窄邊(00')與比值在1～2之間為宜。

c.注意斷面中弧線與直線交點的處理。在使用三角法展開工件時，上口和下口斷面直線段對應(yīng)直線段，不進(jìn)行等分，展開后為梯形;弧線段對應(yīng)弧線段，按照計算步長要求等分，展開后為三角形。

程序編制完成之后，進(jìn)行檢驗計算，核對特征點數(shù)據(jù)和展開圖。核準(zhǔn)無誤后，依次計算各管節(jié)展開圖并編號。

3 排板下料

按照鋼板尺寸和焊縫拼接錯縫要求，本著省料、省工(切割和焊接工作量)的原則進(jìn)行排板。在電腦中模擬管節(jié)分塊并編號、排版，求得最佳排版方案:即鋼板用量省(剩余料塊較大，方便在后續(xù)工作中使用);切割和焊接工作量少;兩者統(tǒng)籌兼顧，達(dá)到制作成本最低。

布爾津山口水電站肘管制作工程中通過電腦模擬排版，分塊、排版過程如圖4所示。通過反復(fù)模擬比較，整板利用率和鋼材利用率都得到了較大提高，整版利用率達(dá)到80%，鋼材綜合利用率達(dá)到85%以上。

圖4 管節(jié)分塊、排板下料示意圖

4 壓制與成型

由于彎肘型尾水肘管各條素線不集中交于一點，在壓制過程中如果只按一個方向的素線(如圖3中1-1'、2-2'、N-N'素線)壓制將形成螺旋上升型瓦片，無法拼合成型。按照三角形展開原理，肘管是由許多個三角形組成的面拼合而成的，而不是梯形面拼合而成的。因此，按1-1'方向的全部素線壓制完成后，還必須按照1'-2、2'-3方向素線壓制。瓦片壓制完成后，在地樣平臺上檢驗上下兩個端口與地樣的吻合度。

瓦片檢驗合格后，進(jìn)行小節(jié)拼接?？紤]到瓦片運輸因素，布爾津山口水電站大機(jī)尾水肘管分成40個瓦片出廠，在工地加工廠進(jìn)行整體拼裝。出廠前，尾水肘管進(jìn)行了試拼裝。

5 結(jié)語

金屬結(jié)構(gòu)件制作過程中，展開計算是關(guān)系到排板下料、拼裝組對等后續(xù)工序能順利完成的重要前提，合理排板是節(jié)約材料、減少工作量的關(guān)鍵所在。

目前布爾津山口水電站尾水肘管已經(jīng)安裝完成，經(jīng)檢測各項制作安裝指標(biāo)符合規(guī)范要求，制作安裝質(zhì)量等級達(dá)到優(yōu)良。?