專利名稱：大型水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水力發(fā)電工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及水電站開發(fā)建設(shè)，尤其涉及大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼的埋設(shè)技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著我國西部大型水電工程的持續(xù)開發(fā)，水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增加，已達(dá)到或超過70(MW級(jí)別。機(jī)組能否安全、穩(wěn)定運(yùn)行，除機(jī)組自身的設(shè)計(jì)、制造、安裝質(zhì)量外，還有諸多外部因素。水輪發(fā)電機(jī)組鋼蝸殼及外圍混凝土聯(lián)合結(jié)構(gòu)是機(jī)組的重要支撐體系，蝸殼埋設(shè)技術(shù)決定該體系的工作性能，直接關(guān)系到機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行及廠房結(jié)構(gòu)安全，是電站關(guān)鍵技術(shù)之一。由于蝸殼埋設(shè)關(guān)鍵技術(shù)未能有效解決，或?qū)е聶C(jī)組無法穩(wěn)定運(yùn)行，或使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)疲勞破壞，危及電站安全，在國內(nèi)外均有教訓(xùn)。三峽工程之前，在國內(nèi)外工程實(shí)踐中，水電站混流式水輪發(fā)電機(jī)蝸殼埋設(shè)應(yīng)用較多的有保壓、墊層、直埋三種技術(shù)，具體為保壓埋設(shè)技術(shù)是在鋼蝸殼安裝完畢后，采用悶頭及密封環(huán)12等措施臨時(shí)封閉蝸殼的進(jìn)口和出口，向蝸殼內(nèi)充水并加壓到設(shè)定值，參閱本發(fā)明附圖1和圖2所示；在保持壓力水頭狀態(tài)下澆筑外圍混凝土，待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，再卸壓拆除悶頭及密封環(huán)，蝸殼由膨脹回到原始狀態(tài)，與外圍混凝土之間形成初始間隙，以合理調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。 其關(guān)鍵在于充水保壓水頭的選擇。當(dāng)蝸殼低于保壓水頭運(yùn)行時(shí)，與混凝土之間的間隙將繼續(xù)存在，蝸殼將單獨(dú)承擔(dān)水壓力，導(dǎo)致蝸殼振動(dòng)過大，難以保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行；高于保壓水頭運(yùn)行時(shí)，蝸殼膨脹后與混凝土緊貼，共同承擔(dān)內(nèi)力壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓力；但由于施工期蝸殼進(jìn)出口安裝有悶頭和密封環(huán)12，與運(yùn)行期的邊界條件有差別，使運(yùn)行期的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)上需對(duì)此進(jìn)行專門研究。對(duì)大型電站而言，保壓埋設(shè)技術(shù)還存在施工程序復(fù)雜、直線工期長、工程投資較大等問題，對(duì)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(fù)雜、支護(hù)難度加大等非常不利因素，使施工難度加大，影響技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。墊層埋設(shè)技術(shù)是在鋼蝸殼安裝完畢后，在其外表面上半圓鋪設(shè)軟墊層，然后澆筑外圍混凝土，利用墊層調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，參閱本發(fā)明附圖3和圖4所示。墊層埋設(shè)技術(shù)關(guān)鍵在于確定墊層的厚度、剛度及材料性能。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，蝸殼充水膨脹，墊層被壓縮，通過墊層將一部分內(nèi)水壓力傳至外圍混凝土結(jié)構(gòu)，傳遞壓力取決于墊層厚度與材料性能。由于墊層敷設(shè)范圍相對(duì)較大，混凝土對(duì)蝸殼的約束作用相對(duì)較弱，兩者變形存有相對(duì)滑移，導(dǎo)致聯(lián)合結(jié)構(gòu)整體剛度降低，對(duì)機(jī)組振動(dòng)及蝸殼的抗疲勞有不利影響，需認(rèn)真研究。直埋技術(shù)是在鋼蝸殼安裝完畢后，直接澆筑外圍混凝土，既不充內(nèi)水壓力，也不設(shè)墊層，參閱本發(fā)明附圖5和圖6所示(在水輪機(jī)中設(shè)置活動(dòng)導(dǎo)葉15，調(diào)節(jié)通過水輪機(jī)的流量)，運(yùn)行時(shí)蝸殼與外圍混凝土形成整體完全聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)，無法充分發(fā)揮鋼蝸殼的承載作用，混凝土承受較大的內(nèi)水壓力，開裂嚴(yán)重，導(dǎo)致廠房支撐結(jié)構(gòu)的整體剛度和抗振性能下降，由于蝸殼平面的非對(duì)稱體形，導(dǎo)致機(jī)組下機(jī)架基礎(chǔ)的垂直變形差較大，直接影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，在大型機(jī)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(qiáng)度等級(jí)、增加鋼筋配置等，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較差。上述三種埋設(shè)技術(shù)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(qū)別。蝸殼雖然均按照承受全部內(nèi)力壓力設(shè)計(jì)，但其運(yùn)行時(shí)應(yīng)力狀態(tài)不同， 對(duì)支撐結(jié)構(gòu)體系整體剛度和機(jī)組運(yùn)行性能的影響也不同。三峽工程之前，對(duì)于700麗級(jí)大型水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼埋設(shè)，國外僅有保壓工程技術(shù)實(shí)例，而國內(nèi)尚無工程實(shí)例。我國已投產(chǎn)安裝低于700MW大型混流式水輪發(fā)電機(jī)的電站， 如巖灘、李家峽、二灘、五強(qiáng)溪、隔河巖等都出現(xiàn)了不同程度的機(jī)組振動(dòng)和運(yùn)行穩(wěn)定性問題， 影響電站功率的發(fā)揮和經(jīng)濟(jì)效益，甚至導(dǎo)致水輪機(jī)葉片斷裂、尾水管管壁撕裂等事故，或者由于機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)引起廠房等建筑物結(jié)構(gòu)發(fā)生較強(qiáng)烈的振動(dòng)，危及整個(gè)電站的安全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要改善大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組鋼蝸殼與外圍混凝土聯(lián)合結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，減小結(jié)構(gòu)變形，保持結(jié)構(gòu)整體剛度，減小機(jī)組振動(dòng)，保證水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，簡(jiǎn)化工序、方便施工、提高工效、節(jié)約投資。為此，研究發(fā)明了機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)新技術(shù)。本發(fā)明的目的通過如下措施來達(dá)到的水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)是在蝸殼進(jìn)口直線段及與該直線段相連的沿蝸殼平面順時(shí)針方向0° 135°、立面上以機(jī)組安裝高程為基準(zhǔn)向下10°至向上150°范圍蝸殼外表面上敷設(shè)彈性模量為0. 2MPa 8. 5MPa的墊層，墊層的厚度為Icm 5cm，然后再澆筑鋼蝸殼外圍混凝土。所述鋼蝸殼與機(jī)坑里襯之間水平投影距離Im 3m范圍不敷設(shè)墊層，直接澆筑混凝土。上述直接澆筑的混凝土在鋼蝸殼頂部以下為C40及以上高強(qiáng)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(fā)明在蝸殼進(jìn)口直線段、與直線段相連的沿蝸殼平面順時(shí)針方向一定范圍及立面以機(jī)組安裝高程為基準(zhǔn)向下10°至向上一定角度范圍(上半部)敷設(shè)墊層。由于上述部位蝸殼直徑大，HD及HD2值相對(duì)較高，而外圍混凝土薄弱，在一定范圍敷設(shè)一定厚度的墊層，可調(diào)整鋼蝸殼和外圍混凝土的承載比，蝸殼充水運(yùn)行時(shí)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(fā)揮蝸殼鋼板的承載能力，減小了混凝土承擔(dān)的內(nèi)水水頭，使混凝土裂縫開展寬度控制在允許范圍內(nèi)，并避免產(chǎn)生貫穿性裂縫，保證聯(lián)合結(jié)構(gòu)支撐體系整體剛度，同時(shí)減少鋼筋用量，方便施工，節(jié)約投資。本發(fā)明機(jī)組鋼蝸殼下半部、座環(huán)上部過渡板剛度較大部位及蝸殼直徑相對(duì)較小的部位不敷設(shè)墊層，直接澆筑混凝土，使鋼蝸殼與混凝土直接接觸，充分利用混凝土對(duì)鋼蝸殼的約束作用，改善座環(huán)與過渡板受力狀態(tài)，減小運(yùn)行時(shí)因脈動(dòng)水壓力引起的蝸殼與機(jī)組的振動(dòng)反應(yīng)，保證機(jī)組座環(huán)、鋼蝸殼及外圍混凝土聯(lián)合支撐結(jié)構(gòu)的整體剛度，增強(qiáng)了機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。本發(fā)明機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)針對(duì)了蝸殼直徑非對(duì)稱性特點(diǎn)，在該放松的部位適當(dāng)放松，該約束的部位可靠約束，減小機(jī)組及廠房振動(dòng)，有效控制在水壓力作用下的下機(jī)架基礎(chǔ)不均勻上抬，使結(jié)構(gòu)受力小，變形均勻，更有利于機(jī)組的長期安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)融合了“墊層”和“直埋”技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避了“墊層”和“直埋”技術(shù)的缺陷， 與保壓技術(shù)相比有施工程序簡(jiǎn)單、工期短、投資省等綜合優(yōu)勢(shì)，可滿足大型水電站蝸殼埋設(shè)需求。本發(fā)明適用于所有混流式水輪發(fā)電機(jī)組的蝸殼埋設(shè)，對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)組，尤其是地下電站大型水輪發(fā)電機(jī)組具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并可簡(jiǎn)化施工程序、加快施工進(jìn)度、節(jié)省工程投資。


圖1為鋼蝸殼保壓埋設(shè)技術(shù)示意圖；圖2為圖1的I-I向視圖結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為鋼蝸殼墊層埋設(shè)技術(shù)示意圖；圖4為圖3的I-I向視圖結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為鋼蝸殼直接埋設(shè)技術(shù)示意圖；圖6為圖5的I-I向視圖結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明鋼蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)示意圖；圖8為圖7的I-I向視圖結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為水輪發(fā)電機(jī)組整體支撐體系結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1、鋼蝸殼，2、蝸殼進(jìn)口直線段，3、彈性墊層，4、機(jī)組中心線，5、機(jī)組安裝高程，6、機(jī)組座環(huán)，7、外包混凝土，8、水輪發(fā)電機(jī)組，9、機(jī)坑里襯，10、高強(qiáng)度混凝土，11、悶頭， 12、密封環(huán)，13、尾水管，14、固定導(dǎo)葉，15、活動(dòng)導(dǎo)葉。具體埋設(shè)技術(shù)實(shí)施以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)，但它們并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。圖1 圖6已在背景技術(shù)中描述，在此不作贅述。參閱圖7和圖8所示，本發(fā)明所述的水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)，圖7中(為了便于分析，標(biāo)出了機(jī)組中心線4)，在鋼蝸殼1的蝸殼進(jìn)口直線段2及與該蝸殼進(jìn)口直線段 2相連的沿蝸殼平面順時(shí)針方向角度θ (參閱圖7所示)，θ的取值范圍為0° 135°，及蝸殼立面上以機(jī)組安裝高程5為基準(zhǔn)的角度Ω (參閱圖8所示)，Ω的取值范圍為-10° 150°，在這個(gè)范圍的鋼蝸殼外表面上鋪設(shè)厚度為Icm 5cm、彈性模量為0. 2Mpa 8. 5Mpa 的墊層，然后在鋼蝸殼1的外表面澆筑外圍混凝土 7。蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)的機(jī)坑里襯9與鋼蝸殼1的外表面相距Im 3m水平距離區(qū)域直接澆筑高強(qiáng)度混凝土 10，所采用的彈性墊層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(shí)施例1 三峽水利樞紐壩后式電站(單機(jī)700麗，共26臺(tái))三峽右岸電站15#機(jī)鋼蝸殼采用組合埋設(shè)技術(shù)，在設(shè)計(jì)過程中建立水輪發(fā)電機(jī)組8 的結(jié)構(gòu)支撐體系(含鋼蝸殼1、座環(huán)6、基坑里襯9及尾水管13)三維結(jié)構(gòu)模型，通過三維非線性計(jì)算、比例為1 :12仿真模型試驗(yàn)及三維動(dòng)力計(jì)算分析，確定了墊層3的材質(zhì)、墊層3在鋼蝸殼1外表面鋪設(shè)的水平角度θ和立面角度Ω，以及高強(qiáng)混凝土 10澆筑區(qū)域，保證混凝土裂縫、下機(jī)架基礎(chǔ)相對(duì)上抬位移等各項(xiàng)指標(biāo)和各部位產(chǎn)生的振動(dòng)反應(yīng)均能夠滿足水輪發(fā)電機(jī)組8安全穩(wěn)定運(yùn)行的控制標(biāo)準(zhǔn)。其數(shù)據(jù)如下表
權(quán)利要求
1.大型水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)，其特征在于在蝸殼進(jìn)口直線段及與該直線段相連的沿蝸殼平面順時(shí)針方向0° 135°、立面上以機(jī)組安裝高程為基準(zhǔn)向下10° 至向上150°范圍蝸殼外表面上敷設(shè)彈性模量為0. 2MPa 8. 5MPa的墊層，墊層的厚度為 Icm 5cm，然后再澆筑鋼蝸殼外圍混凝土。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)，其特征在于所述鋼蝸殼與機(jī)坑里襯之間水平投影距離Im 3m范圍直接澆筑混凝土。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大型水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)，其特征在于所述直接澆筑的混凝土在鋼蝸殼頂部以下，所述混凝土為C40及以上高強(qiáng)度混凝土。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的大型水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)，其特征在于 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(fā)明公開了一種大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼組合埋設(shè)技術(shù)，在蝸殼進(jìn)口直線段及與該直線段相連的沿蝸殼平面順時(shí)針方向0°～135°、立面上以機(jī)組安裝高程為基準(zhǔn)向下10°至向上150°范圍蝸殼外表面上敷設(shè)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。本發(fā)明規(guī)避了現(xiàn)有的機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)變形過大、混凝土開裂嚴(yán)重而導(dǎo)致的機(jī)組支撐體系整體剛度弱、機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定和廠房振動(dòng)過大等缺點(diǎn)，以恰當(dāng)?shù)某休d方式保證機(jī)組支撐體系受力均衡，解決機(jī)組振動(dòng)；充分適應(yīng)鋼蝸殼結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性特征，保證機(jī)組支撐體系剛度及廠房結(jié)構(gòu)安全；施工工藝簡(jiǎn)單，工期短、經(jīng)濟(jì)效益顯著、安全、穩(wěn)定、高效。
文檔編號(hào)E02B9/06GK102296577SQ20111013930
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者周述達(dá), 廖仁強(qiáng), 廖遠(yuǎn)志, 王小毛, 王 煌, 謝紅兵, 邵建雄, 鈕新強(qiáng), 陳坪, 陳銳 申請(qǐng)人:長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司