南阳回龙抽水蓄能电站蜗壳结构型式选择
2007-11-14 14:10:40 来源：
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电力18讯： [摘 要] 回龙抽水蓄能电站地下厂房水头高、转速高，机组运行工况转换频繁，致使厂房混凝土结构的振动问题非常突出。采用何种蜗壳结构型式，直接关系到结构振动问题解决的好坏。通过收集国内外已建和在建水电站蜗壳结构的工程实例，分析了各种蜗壳结构型式的优缺点，并结合回龙电站的实际情况，选定充水加压蜗壳为该电站水轮机的蜗壳型式。
[关键词] 蜗壳结构型式 工程实例 选择 回龙抽水蓄能电站
1 概述
回龙抽水蓄能电站厂房为地下厂房，共安装2台单机容量为60MW的可逆式水泵水轮发电机组。水轮机工况最高净水头为461.0m，引水洞最高水头(脉动水头)为580.0m，水泵工况最高扬程为423.5m。机组额定转速750r/min，飞逸转速1 050r/min，高于一般抽水蓄能机组(一般为额定转速500r/min，飞逸转速750r/min)。本电站发电电动机为悬式，使整体结构中、上部成为承受机组设备荷载主要受力部位。同时转轮采用中拆拆卸方式，需在机墩上开设3.5m×2.5m(宽×高)的运输孔，破坏了机墩的整体性，削弱了机墩的抗振性能。因此，该电站面临着激振频率高(机组转速高)、上部受力(悬式机组)、基础薄弱(机墩开孔)等对抗振十分不利的局面。
整体结构是水轮发电机组支撑结构的总称。引起厂房整体结构振动的原因十分复杂，主要有两个方面：①水力引起的振动；②机组因制造和安装时形成的误差引起的振动。机组制造和安装时形成的误差可以通过改进制造工艺、加强现场监督等措施来改善，而水力引起的振动与机组的过水结构―蜗壳的结构型式密切相关，蜗壳的选型直接影响整体结构的振动情况。因此有必要对蜗壳的结构型式进行分析，以期到达改善整体结构振动的目的。
2 蜗壳结构型式分析
2.1 水轮机蜗壳结构型式发展的现状
目前国内外大中型中高水头水轮机蜗壳的结构型式主要有三种：
(1)钢蜗壳外铺设垫层后浇筑外围混凝土(简称垫层蜗壳)；
(2)钢蜗壳在充水加压的状态下浇筑外围混凝土(简称充水加压蜗壳)；
(3)钢蜗壳外直接浇筑混凝土，即不设垫层，也不充内压(简称完全联合承载蜗壳)。
此外，还有完全裸露的钢蜗壳，仅适用于小容量机组。也有钢蜗壳外采用预应力混凝土的型式，但实际工程中运用较少。
2.2 蜗壳结构型式分析
2.2.1 垫层蜗壳
我国以往大中型水电站的钢蜗壳，大都采用外加垫层的做法。国内采用这种结构的最大机组是在建即将发电的李家峡水电站，单机容量400MW，装机5台，共2000MW。蜗壳承受静水头约140m，HD的设计值达1280m2，小浪底水电站机组蜗壳采用的也是这种结构。前苏联也多采用垫层蜗壳。克拉斯诺雅尔斯克水电站及其500MW机组也是世界上迄今为止采用垫层蜗壳的最大水电站和最大机组。蜗壳进口断面直径8.7m，设计内压(包括水锤)135m水柱，HD值1174.5m2。西方国家及日本的水电站采用垫层蜗壳相对较少。巴西仅在200MW以下的机组采用垫层蜗壳。美国个别电站采用的是这种结构。
钢蜗壳外包垫层与混凝土隔开的结构，只要钢蜗壳的材料选择正确，工艺及施工措施得当，蜗壳的安全是有保证的。但是这种结构存在着一些问题：①设计时考虑由钢蜗壳单独承受内水压力，因此钢板用量多。②蜗壳与座环连接处，特别是采用蝶形边连接时，蜗壳有弯曲应力，而且正好位于焊缝处，对强度不利；座环立柱的受力也不够均匀；垫层末端壳体有局部应力集中。③垫层材料仍然会传递荷载，因而内水压力实际上不可能由钢蜗壳完全承担，必然有部分内压外传，外包混凝土必须考虑这部分荷载。而且，由于垫层材料变形是非线性的，且可能随时间变化，要精确地估计传给混凝土的荷载比例是比较困难的。④钢蜗壳与外包混凝土之间有垫层，二者不能形成整体，对机组抗振和钢蜗壳抗疲劳不利。上述问题，随着机组容量的增大会显得更为突出。
2.2.2 充水加压蜗壳
美国长期以来，多采用充水加压浇筑混凝土的蜗壳。这种方法最先由田纳西流域管理局(TVA)在20世纪30年代初作为最优方法而推广。美国机械工程师协会(ASME)的压力容器标准规定所有压力容器都必须进行水压试验，蜗壳作为压力容器的一种，采用充水加压的型式，也满足了ASME标准的要求。这样水压试验和充水加压蜗壳就作为历史惯例而存在于美国。田纳西流域管理局和陆军工程师团几乎全部采用设计静水压作为充水加压压力值的方法，仅有少数几个工程采用过低于正常静水压下浇筑混凝土的做法。
加拿大对中高水头的大机组多采用充水加压蜗壳，其中有拉格朗德二级、丘吉尔瀑布等大水电站。在巴西，200MW以上机组，即使水头不高，也采用这种结构型式。西欧对大中型机组，多采用充水加压蜗壳，单机容量超过500MW机组的水电站，如大古力、古里、伊泰普等，无一例外均采用了这种结构。此外高水头、大容量的可逆式抽水蓄能机组，采用充水加压蜗壳者居多。
我国近年来开始采用充水加压蜗壳这种结构。1991年天生桥二级电站1～4号机组(单<
[关键词] 蜗壳结构型式 工程实例 选择 回龙抽水蓄能电站
1 概述
回龙抽水蓄能电站厂房为地下厂房，共安装2台单机容量为60MW的可逆式水泵水轮发电机组。水轮机工况最高净水头为461.0m，引水洞最高水头(脉动水头)为580.0m，水泵工况最高扬程为423.5m。机组额定转速750r/min，飞逸转速1 050r/min，高于一般抽水蓄能机组(一般为额定转速500r/min，飞逸转速750r/min)。本电站发电电动机为悬式，使整体结构中、上部成为承受机组设备荷载主要受力部位。同时转轮采用中拆拆卸方式，需在机墩上开设3.5m×2.5m(宽×高)的运输孔，破坏了机墩的整体性，削弱了机墩的抗振性能。因此，该电站面临着激振频率高(机组转速高)、上部受力(悬式机组)、基础薄弱(机墩开孔)等对抗振十分不利的局面。
整体结构是水轮发电机组支撑结构的总称。引起厂房整体结构振动的原因十分复杂，主要有两个方面：①水力引起的振动；②机组因制造和安装时形成的误差引起的振动。机组制造和安装时形成的误差可以通过改进制造工艺、加强现场监督等措施来改善，而水力引起的振动与机组的过水结构―蜗壳的结构型式密切相关，蜗壳的选型直接影响整体结构的振动情况。因此有必要对蜗壳的结构型式进行分析，以期到达改善整体结构振动的目的。
2 蜗壳结构型式分析
2.1 水轮机蜗壳结构型式发展的现状
目前国内外大中型中高水头水轮机蜗壳的结构型式主要有三种：
(1)钢蜗壳外铺设垫层后浇筑外围混凝土(简称垫层蜗壳)；
(2)钢蜗壳在充水加压的状态下浇筑外围混凝土(简称充水加压蜗壳)；
(3)钢蜗壳外直接浇筑混凝土，即不设垫层，也不充内压(简称完全联合承载蜗壳)。
此外，还有完全裸露的钢蜗壳，仅适用于小容量机组。也有钢蜗壳外采用预应力混凝土的型式，但实际工程中运用较少。
2.2 蜗壳结构型式分析
2.2.1 垫层蜗壳
我国以往大中型水电站的钢蜗壳，大都采用外加垫层的做法。国内采用这种结构的最大机组是在建即将发电的李家峡水电站，单机容量400MW，装机5台，共2000MW。蜗壳承受静水头约140m，HD的设计值达1280m2，小浪底水电站机组蜗壳采用的也是这种结构。前苏联也多采用垫层蜗壳。克拉斯诺雅尔斯克水电站及其500MW机组也是世界上迄今为止采用垫层蜗壳的最大水电站和最大机组。蜗壳进口断面直径8.7m，设计内压(包括水锤)135m水柱，HD值1174.5m2。西方国家及日本的水电站采用垫层蜗壳相对较少。巴西仅在200MW以下的机组采用垫层蜗壳。美国个别电站采用的是这种结构。
钢蜗壳外包垫层与混凝土隔开的结构，只要钢蜗壳的材料选择正确，工艺及施工措施得当，蜗壳的安全是有保证的。但是这种结构存在着一些问题：①设计时考虑由钢蜗壳单独承受内水压力，因此钢板用量多。②蜗壳与座环连接处，特别是采用蝶形边连接时，蜗壳有弯曲应力，而且正好位于焊缝处，对强度不利；座环立柱的受力也不够均匀；垫层末端壳体有局部应力集中。③垫层材料仍然会传递荷载，因而内水压力实际上不可能由钢蜗壳完全承担，必然有部分内压外传，外包混凝土必须考虑这部分荷载。而且，由于垫层材料变形是非线性的，且可能随时间变化，要精确地估计传给混凝土的荷载比例是比较困难的。④钢蜗壳与外包混凝土之间有垫层，二者不能形成整体，对机组抗振和钢蜗壳抗疲劳不利。上述问题，随着机组容量的增大会显得更为突出。
2.2.2 充水加压蜗壳
美国长期以来，多采用充水加压浇筑混凝土的蜗壳。这种方法最先由田纳西流域管理局(TVA)在20世纪30年代初作为最优方法而推广。美国机械工程师协会(ASME)的压力容器标准规定所有压力容器都必须进行水压试验，蜗壳作为压力容器的一种，采用充水加压的型式，也满足了ASME标准的要求。这样水压试验和充水加压蜗壳就作为历史惯例而存在于美国。田纳西流域管理局和陆军工程师团几乎全部采用设计静水压作为充水加压压力值的方法，仅有少数几个工程采用过低于正常静水压下浇筑混凝土的做法。
加拿大对中高水头的大机组多采用充水加压蜗壳，其中有拉格朗德二级、丘吉尔瀑布等大水电站。在巴西，200MW以上机组，即使水头不高，也采用这种结构型式。西欧对大中型机组，多采用充水加压蜗壳，单机容量超过500MW机组的水电站，如大古力、古里、伊泰普等，无一例外均采用了这种结构。此外高水头、大容量的可逆式抽水蓄能机组，采用充水加压蜗壳者居多。
我国近年来开始采用充水加压蜗壳这种结构。1991年天生桥二级电站1～4号机组(单<
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