[發明專利]大型水輪發電機組蝸殼組合埋設技術

有效

• 申請號: 201110139306.1
• 申請日: 2011-05-27
• 公開（公告）號: CN102296577A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發明（設計）人: 鈕新強;王小毛;謝紅兵;邵建雄;廖仁強;周述達;陳坪;廖遠志;陳銳;王煌
• 申請（專利權）人: 長江勘測規劃設計研究有限責任公司
• 主分類號: E02B9/00
• 分類號: E02B9/00;E02B9/06;F03B11/02
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 陳家安

技術領域

本發明屬于水力發電工程技術領域，涉及水電站開發建設，尤其涉及大型混流式水輪發電機組蝸殼的埋設技術。

背景技術

隨著我國西部大型水電工程的持續開發，水輪發電機組單機容量不斷增加，已達到或超過700MW級別。機組能否安全、穩定運行，除機組自身的設計、制造、安裝質量外，還有諸多外部因素。水輪發電機組鋼蝸殼及外圍混凝土聯合結構是機組的重要支撐體系，蝸殼埋設技術決定該體系的工作性能，直接關系到機組穩定運行及廠房結構安全，是電站關鍵技術之一。由于蝸殼埋設關鍵技術未能有效解決，或導致機組無法穩定運行，或使結構產生振動疲勞破壞，危及電站安全，在國內外均有教訓。

三峽工程之前，在國內外工程實踐中，水電站混流式水輪發電機蝸殼埋設應用較多的有保壓、墊層、直埋三種技術，具體為：

保壓埋設技術是在鋼蝸殼安裝完畢后，采用悶頭及密封環12等措施臨時封閉蝸殼的進口和出口，向蝸殼內充水并加壓到設定值，參閱本發明附圖1和圖2所示；在保持壓力水頭狀態下澆筑外圍混凝土，待混凝土達到一定強度后，再卸壓拆除悶頭及密封環，蝸殼由膨脹回到原始狀態，與外圍混凝土之間形成初始間隙，以合理調節運行時結構受力狀態。其關鍵在于充水保壓水頭的選擇。當蝸殼低于保壓水頭運行時，與混凝土之間的間隙將繼續存在，蝸殼將單獨承擔水壓力，導致蝸殼振動過大，難以保證機組穩定運行；高于保壓水頭運行時，蝸殼膨脹后與混凝土緊貼，共同承擔內力壓強和脈動壓力；但由于施工期蝸殼進出口安裝有悶頭和密封環12，與運行期的邊界條件有差別，使運行期的結構變形和應力狀態較為復雜，設計上需對此進行專門研究。對大型電站而言，保壓埋設技術還存在施工程序復雜、直線工期長、工程投資較大等問題，對地下電站的影響更為突出，存在著增加廠房跨度、開挖體形復雜、支護難度加大等非常不利因素，使施工難度加大，影響技術經濟性。

墊層埋設技術是在鋼蝸殼安裝完畢后，在其外表面上半圓鋪設軟墊層，然后澆筑外圍混凝土，利用墊層調節運行時的結構受力狀態，參閱本發明附圖3和圖4所示。墊層埋設技術關鍵在于確定墊層的厚度、剛度及材料性能。機組運行時，蝸殼充水膨脹，墊層被壓縮，通過墊層將一部分內水壓力傳至外圍混凝土結構，傳遞壓力取決于墊層厚度與材料性能。由于墊層敷設范圍相對較大，混凝土對蝸殼的約束作用相對較弱，兩者變形存有相對滑移，導致聯合結構整體剛度降低，對機組振動及蝸殼的抗疲勞有不利影響，需認真研究。

直埋技術是在鋼蝸殼安裝完畢后，直接澆筑外圍混凝土，既不充內水壓力，也不設墊層，參閱本發明附圖5和圖6所示(在水輪機中設置活動導葉15，調節通過水輪機的流量)，運行時蝸殼與外圍混凝土形成整體完全聯合受力結構，無法充分發揮鋼蝸殼的承載作用，混凝土承受較大的內水壓力，開裂嚴重，導致廠房支撐結構的整體剛度和抗振性能下降，由于蝸殼平面的非對稱體形，導致機組下機架基礎的垂直變形差較大，直接影響機組穩定運行，在大型機組中甚至不成立，或必須采用各種措施，如全面提高混凝土強度等級、增加鋼筋配置等，技術經濟性較差。

上述三種埋設技術具有不同的作用原理，需要不同的施工工藝、施工程序和施工工期，投資也有區別。蝸殼雖然均按照承受全部內力壓力設計，但其運行時應力狀態不同，對支撐結構體系整體剛度和機組運行性能的影響也不同。

三峽工程之前，對于700MW級大型水輪發電機組蝸殼埋設，國外僅有保壓工程技術實例，而國內尚無工程實例。我國已投產安裝低于700MW大型混流式水輪發電機的電站，如巖灘、李家峽、二灘、五強溪、隔河巖等都出現了不同程度的機組振動和運行穩定性問題，影響電站功率的發揮和經濟效益，甚至導致水輪機葉片斷裂、尾水管管壁撕裂等事故，或者由于機組的強烈振動引起廠房等建筑物結構發生較強烈的振動，危及整個電站的安全。

發明內容

本發明的目的就是要改善大型混流式水輪發電機組鋼蝸殼與外圍混凝土聯合結構受力狀態，減小結構變形，保持結構整體剛度，減小機組振動，保證水輪發電機組安全穩定運行；同時，簡化工序、方便施工、提高工效、節約投資。為此，研究發明了機組蝸殼組合埋設新技術。

本發明的目的通過如下措施來達到的：水輪發電機組蝸殼組合埋設技術是在蝸殼進口直線段及與該直線段相連的沿蝸殼平面順時針方向0°～135°、立面上以機組安裝高程為基準向下10°至向上150°范圍蝸殼外表面上敷設彈性模量為0.2MPa～8.5MPa的墊層，墊層的厚度為1cm～5cm，然后再澆筑鋼蝸殼外圍混凝土。

所述鋼蝸殼與機坑里襯之間水平投影距離1m～3m范圍不敷設墊層，直接澆筑混凝土。