大型水輪發電機組蝸殼組合埋設技術的製作方法

2023-04-26 23:46:16

專利名稱：大型水輪發電機組蝸殼組合埋設技術的製作方法
技術領域：
本發明屬於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70(MW級別。機組能否安全、穩定運行，除機組自身的設計、製造、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，直接關係到機組穩定運行及廠房結構安全，是電站關鍵技術之一。由於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後，採用悶頭及密封環12等措施臨時封閉蝸殼的進口和出口，向蝸殼內充水並加壓到設定值，參閱本發明附圖1和圖2所示；在保持壓力水頭狀態下澆築外圍混凝土，待混凝土達到一定強度後，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。 其關鍵在於充水保壓水頭的選擇。當蝸殼低於保壓水頭運行時，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；高於保壓水頭運行時，蝸殼膨脹後與混凝土緊貼，共同承擔內力壓強和脈動壓力；但由於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複雜，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複雜、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、開挖體形複雜、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後，在其外表面上半圓鋪設軟墊層，然後澆築外圍混凝土，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於確定墊層的厚度、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，傳遞壓力取決於墊層厚度與材料性能。由於墊層敷設範圍相對較大，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後，直接澆築外圍混凝土，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，由於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，或必須採用各種措施，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，對於700麗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。我國已投產安裝低於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，或者由於機組的強烈振動引起廠房等建築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°範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Icm 5cm，然後再澆築鋼蝸殼外圍混凝土。所述鋼蝸殼與機坑裡襯之間水平投影距離Im 3m範圍不敷設墊層，直接澆築混凝土。上述直接澆築的混凝土在鋼蝸殼頂部以下為C40及以上高強度混凝土。上述墊層為彈性模量為2. OMPa 2. 5MPa的高壓聚乙烯閉孔泡沫板或聚氨酯軟木。本發明在蝸殼進口直線段、與直線段相連的沿蝸殼平面順時針方向一定範圍及立面以機組安裝高程為基準向下10°至向上一定角度範圍(上半部)敷設墊層。由於上述部位蝸殼直徑大，HD及HD2值相對較高，而外圍混凝土薄弱，在一定範圍敷設一定厚度的墊層，可調整鋼蝸殼和外圍混凝土的承載比，蝸殼充水運行時墊層最大壓縮量控制在25% 30%，混凝土不完全限制鋼蝸殼的充水變形，可充分發揮蝸殼鋼板的承載能力，減小了混凝土承擔的內水水頭，使混凝土裂縫開展寬度控制在允許範圍內，並避免產生貫穿性裂縫，保證聯合結構支撐體系整體剛度，同時減少鋼筋用量，方便施工，節約投資。本發明機組鋼蝸殼下半部、座環上部過渡板剛度較大部位及蝸殼直徑相對較小的部位不敷設墊層，直接澆築混凝土，使鋼蝸殼與混凝土直接接觸，充分利用混凝土對鋼蝸殼的約束作用，改善座環與過渡板受力狀態，減小運行時因脈動水壓力引起的蝸殼與機組的振動反應，保證機組座環、鋼蝸殼及外圍混凝土聯合支撐結構的整體剛度，增強了機組運行的安全性和穩定性。本發明機組蝸殼組合埋設技術針對了蝸殼直徑非對稱性特點，在該放鬆的部位適當放鬆，該約束的部位可靠約束，減小機組及廠房振動，有效控制在水壓力作用下的下機架基礎不均勻上抬，使結構受力小，變形均勻，更有利於機組的長期安全、穩定的運行。機組蝸殼組合埋設技術融合了「墊層」和「直埋」技術的優點，規避了「墊層」和「直埋」技術的缺陷， 與保壓技術相比有施工程序簡單、工期短、投資省等綜合優勢，可滿足大型水電站蝸殼埋設需求。本發明適用於所有混流式水輪發電機組的蝸殼埋設，對大型水輪發電機組，尤其是地下電站大型水輪發電機組具有明顯技術優勢，並可簡化施工程序、加快施工進度、節省工程投資。


圖1為鋼蝸殼保壓埋設技術示意圖；圖2為圖1的I-I向視圖結構示意圖；圖3為鋼蝸殼墊層埋設技術示意圖；圖4為圖3的I-I向視圖結構示意圖；圖5為鋼蝸殼直接埋設技術示意圖；圖6為圖5的I-I向視圖結構示意圖；圖7為本發明鋼蝸殼組合埋設技術示意圖；圖8為圖7的I-I向視圖結構示意圖；圖9為水輪發電機組整體支撐體系結構示意圖；圖中1、鋼蝸殼，2、蝸殼進口直線段，3、彈性墊層，4、機組中心線，5、機組安裝高程，6、機組座環，7、外包混凝土，8、水輪發電機組，9、機坑裡襯，10、高強度混凝土，11、悶頭， 12、密封環，13、尾水管，14、固定導葉，15、活動導葉。具體埋設技術實施以下結合附圖和具體實施例詳細描述本發明水輪發電機組蝸殼組合埋設技術，但它們並不構成對本發明的限定。圖1 圖6已在背景技術中描述，在此不作贅述。參閱圖7和圖8所示，本發明所述的水輪發電機組蝸殼組合埋設技術，圖7中(為了便於分析，標出了機組中心線4)，在鋼蝸殼1的蝸殼進口直線段2及與該蝸殼進口直線段 2相連的沿蝸殼平面順時針方向角度θ (參閱圖7所示)，θ的取值範圍為0° 135°，及蝸殼立面上以機組安裝高程5為基準的角度Ω (參閱圖8所示)，Ω的取值範圍為-10° 150°，在這個範圍的鋼蝸殼外表面上鋪設厚度為Icm 5cm、彈性模量為0. 2Mpa 8. 5Mpa 的墊層，然後在鋼蝸殼1的外表面澆築外圍混凝土 7。蝸殼組合埋設技術的機坑裡襯9與鋼蝸殼1的外表面相距Im 3m水平距離區域直接澆築高強度混凝土 10，所採用的彈性墊層3為彈性模量為2. 5MPa 8. 5MPa的高壓聚乙烯閉孔泡沫板或聚氨酯軟木。具體實施例1 三峽水利樞紐壩後式電站(單機700麗，共26臺)三峽右岸電站15#機鋼蝸殼採用組合埋設技術，在設計過程中建立水輪發電機組8 的結構支撐體系(含鋼蝸殼1、座環6、基坑裡襯9及尾水管13)三維結構模型，通過三維非線性計算、比例為1 :12仿真模型試驗及三維動力計算分析，確定了墊層3的材質、墊層3在鋼蝸殼1外表面鋪設的水平角度θ和立面角度Ω，以及高強混凝土 10澆築區域，保證混凝土裂縫、下機架基礎相對上抬位移等各項指標和各部位產生的振動反應均能夠滿足水輪發電機組8安全穩定運行的控制標準。其數據如下表
權利要求
1.大型水輪發電機組蝸殼組合埋設技術，其特徵在於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°範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 Icm 5cm，然後再澆築鋼蝸殼外圍混凝土。
2.根據權利要求1所述的大型水輪發電機組蝸殼組合埋設技術，其特徵在於所述鋼蝸殼與機坑裡襯之間水平投影距離Im 3m範圍直接澆築混凝土。
3.根據權利要求2所述的大型水輪發電機組蝸殼組合埋設技術，其特徵在於所述直接澆築的混凝土在鋼蝸殼頂部以下，所述混凝土為C40及以上高強度混凝土。
4.根據權利要求1或2或3所述的大型水輪發電機組蝸殼組合埋設技術，其特徵在於 所述墊層為彈性模量為2. OMPa 2. 5MPa的高壓聚乙烯閉孔泡沫板或聚氨酯軟木。
全文摘要
本發明公開了一種大型混流式水輪發電機組蝸殼組合埋設技術，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°範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，然後再澆築鋼蝸殼外圍混凝土。本發明規避了現有的機組支撐結構變形過大、混凝土開裂嚴重而導致的機組支撐體系整體剛度弱、機組運行不穩定和廠房振動過大等缺點，以恰當的承載方式保證機組支撐體系受力均衡，解決機組振動；充分適應鋼蝸殼結構非對稱性特徵，保證機組支撐體系剛度及廠房結構安全；施工工藝簡單，工期短、經濟效益顯著、安全、穩定、高效。
文檔編號E02B9/06GK102296577SQ20111013930
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月27日 優先權日2011年5月27日
發明者周述達, 廖仁強, 廖遠志, 王小毛, 王 煌, 謝紅兵, 邵建雄, 鈕新強, 陳坪, 陳銳 申請人:長江勘測規劃設計研究有限責任公司