压力管道的水力计算和直径的确定
水电站压力管道
❖ 镇墩是保持钢管段不发生位移、倾覆和扭转的支承 结构物。
❖ 作用：
依靠自身的重量来固定钢管 承受因钢管改变方向及管径变化而产生的轴向不平衡力 使钢管在任何方向均不产生位移和转角
4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式
4.3.4 明钢管的支承结构
1.镇墩及其构造
4.3.2 明钢管的阀门和附件
2.附件
❖ （2）通气孔和通气阀
作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管中负压； 水管充水时，排出管中空气。即：放空时补气，充水时排 气。
位置：阀门之后 当进水口较深时，可采用通气阀，在正常运行时保持关闭
状态，发生负压时开启，自动补气，充水时自动排气。
第四章 水电站压力管道
4.1 压力管道的功用和类型 4.2 压力管道的线路选择和布置方式 4.3 明钢管的构造、附件及敷设方式 4.4 压力管道的水力计算与尺寸拟定
4.6 钢岔管
4.1 压力管道的功用和类型
4.1 压力管道的功用和类型
4.1.1 压力管道的功用与特点
作用：从水库、前池或调压室向水轮机输送水量。 特点：
在工厂压轧成无纵缝的管节，运到现场后用横向焊缝或法 兰将管节连成整体。
适用：高水头，小流量的水电站。
4.3 明钢管的构造、附件及铺设方式
4.3.1 明钢管的构造
1.接缝与接头
❖ (2)焊接钢管
由辊卷成圆弧形的钢板，用纵缝和横缝焊接而成。 纵缝：焊缝交错排列，避开两个中心轴 纵缝与水平轴线和垂直轴线的夹角应大于15°
4.1 压力管道的功用和类型
4.1.2 压力管道的类型及适用条件
2.按管道布置方式分类
❖ （3）坝体压力管道
斜式布置
6水电站压力管道a详解
2. 布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。 3. 类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。
➢ 封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固 定效果好。
➢ 开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。
镇墩的两种形式
(2) 滚动式(rolling ring girder support)
❖ 在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，摩擦系数f小， 适用于D>2m。
(3) 摆动式(rocking ring girder support)
❖ 在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数f很 小，适用于大直径管道。
三、镇墩(anchor block)
2. 经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初
步设计时采用
D 7 5.2Qm3 ax H
Qmax——压力管道设计流量，H—设计水头
3. 经济流速法：压力管道经济流速一般为4~6m/s，
最大不超过7m/s，Ae= Qmax/Ve
第四节 钢管的材料和管身构造
一、钢管的材料
❖ 钢管所用钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用 温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济合理等 因素选定。
❖ 适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较 小的情况。地下埋管和明管。
第三节 水力计算和经济直径的确定
一、水力计算 ❖ 恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和
局部两部分。 ➢沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算。 ➢局部损失：进口、门槽、渐变段、弯段、分岔
等部位，按水力学公式计算。 hw→电能→装机容量→管径选择
二、压力管道引进厂房的方式
1. 正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损失小， 开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机 厂房安全。
07第七章引水建筑物qba
（二）渠道线路选择
（1）地形条件。
（2）地质条件。
（3）施工条件。
（4）管理要求。
（三）渠道的纵横断面设计
合理的渠道断面设计，一般应满足以下几方面具体要求： ①有足够的输水能力，以满足用户对用水水量的需要；②有 足够的水位，以满足自流灌溉的要求；③有适宜的渠道水流 流速，以满足渠道不冲、不淤或周期性冲淤平衡的要求；④ 有稳定的边坡，以保证渠道安全运用；⑤有合理的断面形式， 以减少渗漏等损失，提高水利用系数；⑥尽量满足综合利用 要求，做到一专多能；⑦尽量使工程量最少，以有效降低工 程总投资，发挥最大工程效益。
二、渡槽的型式及组成
1、渡槽的类型 按槽身断面形式分为U形槽、矩形槽、抛物
线形槽及圆管槽等。 按支承结构分为梁式渡槽、拱式渡槽、桁架
式渡槽、斜拉式渡槽、组合式渡槽等。
2、渡槽的组成 渡槽一般由进口段、出口段、槽身及支承结
构等部分组成。
三、渡槽的总体布置
（一）槽址选择 （1）应选择在地形、地质条件有利的地方。 （2）跨越河流的渡槽，槽址应稳定，水流顺直。 （3）便于泄水闸等建筑物的布置。 （4）施工、管理及应用方便。
第六节 倒虹吸管
一、倒虹吸管的特点和使用条件
倒虹吸管属于渠系交叉建筑物，是指设置在渠道与河 流、山沟、谷地、道路等相交叉处的压力管道。其特点是 两端与渠道相接，而中间向下弯曲。与渡槽相比，具有结 构简单、造价较低、施工方便等优点。但是，输水时水头 损失较大，运行管理不如渡槽方便。
5、排水
设置排水，可以降低作用在衬砌上的外水压力。
（三）出口段
有压隧洞出口，绝大多数设有工作闸门、启闭机室、 渐变段、消能设施等。
四、水工隧洞的衬砌计算
（一）荷载及其组合
压力管道供水方式
b 自动强化阶段，承受较高荷载；
破坏阶段
第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造
2 加工性能
辊扎、冷弯、焊接等方面的性能
冷 弯 塑性变形 发生冷强 时效硬化 钢材变脆 焊 接 焊缝不开裂，不降低焊缝及相邻母材的机械性能
（如强度、延伸率、冲击韧性等）。
后处理 进行消除内应力处理
第二节 压力管道的布置和供水方式
一、压力管道的供水方式
11
单 元 供 水
第二节 压力管道的布置和供水方式
一、压力管道的供水方式
12
集 中 供 水
第二节 压力管道的布置和供水方式
一、压力管道的供水方式
13
分
组
调压室
供
厂房
水
第三节 压力管道的水力计算和经济直径的确定
第三节 压力管道的水力计算 和经济直径的确定
第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造
第四节 钢管的材料、容许应力 和管身构造
第四节 钢管的材料、容许应力和管身构造
一、钢管的材料
受力构件和加强构件: 管壁、加劲环、支承环:A3、16Mn，和经过
正火的15MnV和15MnTi
支座的滚轮和支承板等:A3、A4、A5、16M35、 45 屈服点为60～80kgf/mm2的高强度钢材
第三节 压力管道的水力计算和经济直径的确定
一、水力计算
1、恒定流计算
确定管道的摩阻损失和局部损失两种。
2、非恒定流计算
确定最高和最低压力线
第三节 压力管道的水力计算和经济直径的确定
二、管径的确定
压力管道的直径应通过动能经济计算确定
彭德舒公式：
D 7 5.2Qmax 3 H
V经 5 ~ 7m / s
水电站(问答题答案版)
水电站复习思考题（1）复习思考题（水轮机部分）（一）1.水电站的功能是什么，有哪些主要类型？2.水电站的装机容量如何计算？3.水电站的主要参数有哪些（H、Q、N、N装、P设、N保），说明它们的含义？4.我国水能资源的特点是什么？5.水力发电有什么优越性？复习思考题（水轮机部分）（二）1.水轮机是如何分为两大类的？组成反击式水轮机的四大部件是什么？水轮机根据转轮内的水流运动和转轮转换水能形式的不同可分为反击式和冲击式水轮机两大类。
组成反击式水轮机的四大部件是：引水部件、导水部件、工作部件、泄水部件2.反击式和冲击式水轮机各是如何调节流量的？反击式水轮机：水流在转轮空间曲面形叶片的约束下，连续不断地改变流速的大小和方向。
冲击式水轮机：轮叶的约束下发生流速的大小和方向的改变，将其大部分的动能传递给轮叶，驱动转轮旋转。
3.什么是同步转速，同步转速与发电机的磁极对数有什么关系？尾水管的作用是什么？同步转速：电机转子转速与定子的旋转磁场转速相同(同步)。
同步转速与发电机的磁极对数无关。
尾水管的作用：①将通过水轮机的水流泄向下游；②转轮装置在下游水位之上时，能利用转轮出口与下游水位之间的势能H2；③回收利用转轮出口的大部分动能4.水轮机的型号如何规定？效率怎样计算？根据我国“水轮机型号编制规则”规定，水轮机的型号由三部分组成，每一部分用短横线“—”隔开。
第一部分由汉语拼音字母与阿拉伯数字组成，其中拼音字母表示水轮机型式。
第二部分由两个汉语拼音字母组成，分别表示水轮机主轴布置形式和引水室的特征；第三部分为水轮机转轮的标称直径以及其它必要的数据。
水轮机的效率：水轮机出力（输出功率）与水流出力（输入功率）之比。
Ƞ=P/Pw5.什么是比转速？54H s n表示当工作水头H=1m 、发出功率N=1kw 时，水轮机所具有的转速n 称为水轮机的比转速。
复习思考题（水轮机部分）（三）1.解释水轮机效率的组成，三种效率之间的关系如何？什么是水轮机的最优工况？水力效率ηs、容积效率ηv、机械效率ηj。
第三章_压力管道总论及明钢管1
适用：广泛应用于地下埋管和明管。压力水管
较长，机组台数多，单机流量不大的情况。
压力管道直径的选择
供接着应对管道直径进行
选择。
由于管道费用较高，直径越小，管道用
材及造价越低，但管中流速越大，水头 损失与发电损失也越大。因此管道直径 应进行经济比较选定。
取大值，即［σ］取小值；
② 对特殊荷载组合，对埋藏式钢管和钢管的局部 应力区，K取小值，即［σ］取大值； ③ 对于屈强比大的钢材，试用新钢材和弯管、岔 管或特别重要的部位，［σ］需适当降低；
另外，焊缝强度的折减系数 ，应根据焊缝类别
和探伤要求，取为0.90~0.95。
钢材的强度校核
第四强度理论:
2 x r2 2 x r r x 3( xr 2 r 2 x 2 ) [ ]
其中： 焊缝系数一般可取0.9 - 0.95, 与焊缝方法、 探伤标准、建筑物等级有关。
, r , x 钢管环向，径向和轴向应力; x , xr , r 钢管各方面剪应力;
加工成型和焊接。宁可强度低而保证塑韧性高。 举例来说：A3 钢塑韧性好，但容许应力（240）低； 16Mn钢强度较高（330），但塑韧性差。 当HD值不够大时，选择 A3钢；
只有当 HD>600m2，δ=32mm～40mm， A3 钢不易
加工时采用16Mn。
钢材的容许应力
水电站钢管多按允许应力设计，允许应力常以钢 [ 材屈服强度百分比表示。 ] s k ，安全系数 K可参考 有关规范。
明 管 示 意 图
为了使管壁受力 均匀，支座处管 壁加支承环； 为保持钢管抗外 压稳定，有时在 支承环间加设加 劲环。
6水电站压力管道a详解
伸缩节动画
3、 通气阀 作用：当阀门紧急关闭时，向管内充气，以消除管 中负压；水管充水时，排出管中空气。 位置：阀门之后。 4、 进人孔 作用：检修钢管；位置：钢管上方；直径：50cm左 右，间距100m 。 5、旁通阀及排水设备 旁通阀：设在水轮机进水阀门处；作用：阀门前后 平压后开启，以减小启闭力。 排水管：应设置在水管的最低点；作用：在检修水 管时用于排出管中的积水和渗漏水。
世 界 上 最 大 的 球 阀
2、伸缩节(expansion joint)
功用：消除温度应力，且适应少量的不均匀沉陷。 位置：常在上镇墩的下游侧(为什么？) 伸缩节的型式较多，常见的几种见下页图。
伸缩节的几种形式
(a)套筒式伸缩节
(b)波纹密封套筒式伸缩节
(c)压盖式限拉伸缩节
(d)波纹管伸缩节
4、求合力作用点及偏心距
利用图解法或数解法求G及∑A的合力作用点位置
及偏心距e。应保证e在镇墩底宽的二分点以内。
M B B e (8 ~ 35) Y G 2 6 n
5、抗滑稳定校核 抗滑稳定应符合下式要求：
Kc f
Y G K X
1. 功用：固定钢管，承受因水管改变方向而产生的 轴向不平衡力。水管在此处不产生任何位移。
2. 布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。
3. 类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。
封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固
定效果好。 开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。
镇墩的两种形式
c
6、地基承载能力校核
要求地基上均为压应力，且最大值不超过地基的 容许值[R]。可按偏心受压公式计算地基应力。
压力管道 试验压力计算
压力管道试验压力计算引言压力管道是工业生产中广泛使用的一种输送介质的管道。
为保证管道的安全性能，必须进行试验以验证其承压能力。
在进行压力试验时，需要准确计算试验压力，以确保管道的安全运行。
本文将介绍压力管道试验压力的计算方法，并以Markdown 文本格式输出。
压力管道试验压力计算方法压力管道试验压力的计算需要考虑以下几个因素：1.管道的公称直径和壁厚：管道的公称直径和壁厚是计算试验压力的基本参数。
根据管道的公称直径和壁厚，可以确定管道的承压能力，从而得到试验压力的计算依据。
2.强度设计系数：管道在设计时一般会考虑到安全因素，并在计算承压能力时引入强度设计系数。
强度设计系数是根据管道材料的强度和设计条件等因素确定的，不同的管道材料和设计条件可能会有不同的强度设计系数。
3.管道的工作温度和材料的温度系数：管道在工作时可能会受到不同的温度影响，因此在计算试验压力时需要考虑管道的工作温度。
此外，管道材料的温度系数也会对试验压力的计算产生影响，不同的材料具有不同的温度系数。
4.管道的试验系数：在试验过程中，管道系统会受到一定的水力冲击和压力波动等因素的影响，需要引入试验系数进行修正。
试验系数一般通过实验测定或根据经验确定。
根据以上因素，可以使用以下公式计算压力管道的试验压力：试验压力 = 强度设计系数 × 管道的承压能力 × 温度修正系数 × 试验系数其中，温度修正系数和试验系数需要根据具体情况进行计算或测定。
示例计算为了更好地理解压力管道试验压力的计算方法，以下是一个示例计算。
假设一条直径为 6 寸，壁厚为 8 mm 的碳钢管道进行压力试验，管道的公称压力为 20 MPa，工作温度为 25°C。
根据设计条件，该管道的强度设计系数为 1.5。
根据经验，该管道的温度修正系数为 1.2，试验系数为 1.3。
根据以上参数，可以进行试验压力的计算：试验压力 = 1.5 × 20 MPa × 1.2 × 1.3 = 46.8 MPa因此，该管道的试验压力为 46.8 MPa。
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压力管道的水力计算和经济直径的确定
一、水力计算
压力管道的水力计算包括恒定流计算和非恒定流计算两种。
（一）恒定流计算
恒定流计算主要是为了确定管道的水头损失。
管道的水头损失对于水电站装机容量的选择、电能的计算、经济管径的确定以及调压室稳定断面计算等都是不可缺少的。
水头损失包括摩阻损失和局部损失两种。
1、摩阻损失
管道中的水头损失与水流形态有为。
水电站压力管道中的水流的雷诺数Re一般都超过3400，因而水流处于紊流状态，摩阻水头损失可用曼宁公式或斯柯别公式计算。
曼宁公式应用方便，在我国应用较广。
该公式中，水头损失与流速平方成正比，这对于钢筋混凝土管和隧洞这类糙率较大的水道是适用的。
对于钢管，由于糙率较小，水流未、能完全进人阻力平方区，但随着时间的推移，管壁因锈蚀糙率逐渐增大，按流速平方关系计算摩阻损失仍然是可行的。
曼宁公式因一般水力学书中均可找到，此处从略。
斯柯别根据198段水管的1178个实测资料，推荐用以下公式计算每米长钢管的摩阻损失
(13-1)式中a-水头损失系数，焊接管用0.00083。
为考虑水头损失随使用年数t的增加而增大的系数，清水取K＝0.01，腐蚀性水可取K＝0.015。
2.局部损失
在流道断面急剧变化处，水流受边界的扰动，在水流与边界之间和水流的内部形成旋涡，在水流质量强烈的混掺和大量的动量交换过程中，在不长的距离内造成较大的能量损失，这种损失通常称为局部损失。
压力管道的局部损失发生在进口、门槽、渐变段、弯段、分岔等处。
压力管道的局部损失往往不可忽视，一尤其是分岔的损失有时可能达到相当大的数值。
局部损失的计算公式通常表示为
系数可查有关手册。
（二）非恒定流计算
管道中的非恒定流现象通常称为水锤。
进行非恒定流计算的目的是为了推求管道各点i的动水压强及其变化过程，为管道的布置、结构设计和机组的运行提供依据。
非恒定流计算的内容见第九章。
二、管径的确定
压力管道的直径应通过动能经济计算确定。
在第七章中我们已经研究了决定渠道和隧洞经济断面的方法，其基本原理对压力管道也完全适用，可以拟定几个不同管径的方案，进行誉比较，选定较为有利的管道直径，也可以将某些条件加以简化，推导出计算公式，直接求解。
在可行性研究和初步设计阶段，可用以下彭德舒公式来初步确定大中型压力钢管的经济直径
式中Qmax-钢管的最大设计流量，；
H-设计水头，m。