[发明专利]大型水轮发电机组蜗壳组合埋设技术

说明书

技术领域

本发明属于水力发电工程技术领域，涉及水电站开发建设，尤其涉及大型混流式水轮发电机组蜗壳的埋设技术。

背景技术

随着我国西部大型水电工程的持续开发，水轮发电机组单机容量不断增加，已达到或超过700MW级别。机组能否安全、稳定运行，除机组自身的设计、制造、安装质量外，还有诸多外部因素。水轮发电机组钢蜗壳及外围混凝土联合结构是机组的重要支撑体系，蜗壳埋设技术决定该体系的工作性能，直接关系到机组稳定运行及厂房结构安全，是电站关键技术之一。由于蜗壳埋设关键技术未能有效解决，或导致机组无法稳定运行，或使结构产生振动疲劳破坏，危及电站安全，在国内外均有教训。

三峡工程之前，在国内外工程实践中，水电站混流式水轮发电机蜗壳埋设应用较多的有保压、垫层、直埋三种技术，具体为：

保压埋设技术是在钢蜗壳安装完毕后，采用闷头及密封环12等措施临时封闭蜗壳的进口和出口，向蜗壳内充水并加压到设定值，参阅本发明附图1和图2所示；在保持压力水头状态下浇筑外围混凝土，待混凝土达到一定强度后，再卸压拆除闷头及密封环，蜗壳由膨胀回到原始状态，与外围混凝土之间形成初始间隙，以合理调节运行时结构受力状态。其关键在于充水保压水头的选择。当蜗壳低于保压水头运行时，与混凝土之间的间隙将继续存在，蜗壳将单独承担水压力，导致蜗壳振动过大，难以保证机组稳定运行；高于保压水头运行时，蜗壳膨胀后与混凝土紧贴，共同承担内力压强和脉动压力；但由于施工期蜗壳进出口安装有闷头和密封环12，与运行期的边界条件有差别，使运行期的结构变形和应力状态较为复杂，设计上需对此进行专门研究。对大型电站而言，保压埋设技术还存在施工程序复杂、直线工期长、工程投资较大等问题，对地下电站的影响更为突出，存在着增加厂房跨度、开挖体形复杂、支护难度加大等非常不利因素，使施工难度加大，影响技术经济性。

垫层埋设技术是在钢蜗壳安装完毕后，在其外表面上半圆铺设软垫层，然后浇筑外围混凝土，利用垫层调节运行时的结构受力状态，参阅本发明附图3和图4所示。垫层埋设技术关键在于确定垫层的厚度、刚度及材料性能。机组运行时，蜗壳充水膨胀，垫层被压缩，通过垫层将一部分内水压力传至外围混凝土结构，传递压力取决于垫层厚度与材料性能。由于垫层敷设范围相对较大，混凝土对蜗壳的约束作用相对较弱，两者变形存有相对滑移，导致联合结构整体刚度降低，对机组振动及蜗壳的抗疲劳有不利影响，需认真研究。

直埋技术是在钢蜗壳安装完毕后，直接浇筑外围混凝土，既不充内水压力，也不设垫层，参阅本发明附图5和图6所示(在水轮机中设置活动导叶15，调节通过水轮机的流量)，运行时蜗壳与外围混凝土形成整体完全联合受力结构，无法充分发挥钢蜗壳的承载作用，混凝土承受较大的内水压力，开裂严重，导致厂房支撑结构的整体刚度和抗振性能下降，由于蜗壳平面的非对称体形，导致机组下机架基础的垂直变形差较大，直接影响机组稳定运行，在大型机组中甚至不成立，或必须采用各种措施，如全面提高混凝土强度等级、增加钢筋配置等，技术经济性较差。

上述三种埋设技术具有不同的作用原理，需要不同的施工工艺、施工程序和施工工期，投资也有区别。蜗壳虽然均按照承受全部内力压力设计，但其运行时应力状态不同，对支撑结构体系整体刚度和机组运行性能的影响也不同。

三峡工程之前，对于700MW级大型水轮发电机组蜗壳埋设，国外仅有保压工程技术实例，而国内尚无工程实例。我国已投产安装低于700MW大型混流式水轮发电机的电站，如岩滩、李家峡、二滩、五强溪、隔河岩等都出现了不同程度的机组振动和运行稳定性问题，影响电站功率的发挥和经济效益，甚至导致水轮机叶片断裂、尾水管管壁撕裂等事故，或者由于机组的强烈振动引起厂房等建筑物结构发生较强烈的振动，危及整个电站的安全。

发明内容

本发明的目的就是要改善大型混流式水轮发电机组钢蜗壳与外围混凝土联合结构受力状态，减小结构变形，保持结构整体刚度，减小机组振动，保证水轮发电机组安全稳定运行；同时，简化工序、方便施工、提高工效、节约投资。为此，研究发明了机组蜗壳组合埋设新技术。

本发明的目的通过如下措施来达到的：水轮发电机组蜗壳组合埋设技术是在蜗壳进口直线段及与该直线段相连的沿蜗壳平面顺时针方向0°～135°、立面上以机组安装高程为基准向下10°至向上150°范围蜗壳外表面上敷设弹性模量为0.2MPa～8.5MPa的垫层，垫层的厚度为1cm～5cm，然后再浇筑钢蜗壳外围混凝土。

所述钢蜗壳与机坑里衬之间水平投影距离1m～3m范围不敷设垫层，直接浇筑混凝土。