[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。[要害词]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1050r/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，非凡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惫不利。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治理局(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。田纳西流域治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(单机容量220MW)是我国大型机组最早采用充水加压蜗壳的。随后广州抽水蓄能电站一、二期工程、潘家口电站抽水蓄能机组、十三陵、二滩(单机容量550MW)、天荒坪(单机容量300MW)等工程的机组都采用了这种结构，正在修建的三峡水电站(单机容量700MW)机组采用的也是这种结构型式。随着更多的大容量、高水头常规机组和抽水蓄能机组的建设，充水加压蜗壳在我国有更多应用的趋势。充水加压蜗壳主要有以下一些优点：①钢蜗壳及外包混凝土内应力比较均匀。②钢蜗壳与外包混凝土之间的荷载分配比例可以根据需要选择，而且荷载分配明确可靠。③可以充分利用外包混凝土减少蜗壳及座环的扭转变形，有利于提高蜗壳的整体刚度和抗振性能，有利于机组稳定运行。④蜗壳内不再加内支撑，可减少支撑的费用和安装、拆卸所需的时间，加快水轮机的安装进度。⑤蜗壳内的水重可以防止浇筑混凝土时蜗壳向上浮动，否则需采用拉锚设施。充水加压蜗壳对减少机组振动、保证机组运行稳定的作用，对大型机组和抽水蓄能机组更加重要，这也是上述两种机组广泛采用充水加压蜗壳的主要理由。2.2.3完全联合承载蜗壳前苏联是钢衬钢筋混凝土蜗壳的首创者。从20世纪60年代起，苏联在克拉斯雅尔斯克和布拉茨克两座巨型水电站开展钢衬与钢筋混凝土联合承载的研究。为了降低座环与蜗壳连接处的弯曲应力，取消了此处1.5～2.0m范围内的软垫层，取得了良好效果。后来相继在努列克水电站(蜗壳设计压力380m水柱，单机容量300MW)、英古里水电站(蜗壳设计压力550m水柱，单机容量260MW)、萨扬舒申斯克水电站(蜗壳设计压力286m水柱，单机容量640MW)实现了完全联合承载的蜗壳。在设计时，由钢衬和外包混凝土共同承受内水压力，不考虑由钢衬单独承受内水压力，因而钢衬可以减薄。萨扬舒申斯克水电站及其640MW机组也是世界上迄今为止采用完全联合承载蜗壳的最大水电站和最大机组。北欧国家和日本采用完全联合承载蜗壳的较多，但是与前苏联不同。这些国家的钢蜗壳是按照单独承受全部内水压力设计制造的，并不因有外包钢筋混凝土而将蜗壳减薄。钢蜗壳不设软垫层，也不充水加压而直接浇筑外包混凝土的结构，实质上是一种完全联合作用的结构。钢蜗壳只承受部分内水压力，可以减薄钢板厚度。这种结构的优越性是明显的，缓解了钢蜗壳的技术困难；用钢筋替代钢板，可以取得经济效益；完全联合承载的蜗壳具有很大的刚度和很高的强度安全性，对机组运行有利。3国内外水轮机蜗壳结构工程实例3.1三峡水电站水轮机蜗壳三峡水电站单机容量700MW，装机26台(不包括地下厂房6台)。水轮机蜗壳规模大，进口直径12.4m，设计内压(包括动水压力)139.50m，HD值高达1730m2，参数属世界前列。长江水利委员会在技术设计中一直推荐垫层蜗壳的结构型式，三峡总公司技术委员会厂房专家组对此方案进行初步审查后，要求对充水加压浇筑外围混凝土的结构型式进行调查和研究，并在后续的审查中指出，目前国外单机容量700MW的大型水电站，均采用了加压浇筑混凝土的结构型式，建议左岸厂房机组(14台)采用充水保压浇筑混凝土的结构方案。张光斗院士曾撰文对三峡水电站水轮机蜗壳外围混凝土浇筑方式作了阐述：对于单机容量为70万kW的大型水轮机蜗壳，建议采用打压并加压88m水头进行外围混凝土浇筑，压水试验可以取消。可以适当减少外围混凝土的配筋量。从目前我们所把握的国外资料来看，单机34万kW以上的都是打压浇筑混凝土。国内李家峡水电站单机容量40万kW，不用打压浇筑混凝土，在蜗壳上部加垫层，但尚未经过高水头运行的考验。设计单位很后悔没有采用打压浇筑混凝土。俄罗斯的萨杨诺水电站，单机容量64万kW，既不打压，也没有加任何垫层，而是将混凝土直接浇筑在蜗壳外围。由于技术保密，具体的情况我们并不了解。而在单机容量为70万kW的水电站，采用打压浇筑蜗壳外围混凝土，有成功的经验。用加垫层浇筑混凝土的方法可以创新，但应该逐步增大单机容量，取得经验，而不能由单机34万kW一下子提高到70万kW。长江水利委员会于1999年提出了《三峡水电站水轮机蜗壳充水加压方案专题研究报告》，比较了保压水头70m、78m和88m不同方案，经总公司审定采用保压水头70m，随后按此提出了施工详图。3.2小浪底水电站水轮机蜗壳小浪底水电站装机6台，单机容量300MW，总容量1800MW。钢蜗壳进口直径7.2m，蜗壳中心高程129.00m，额定流量296m3/s，机组额定转速107.1r/m，飞逸转速204r/min。蜗壳内最大静水压140MPa，甩负荷时最大压力为191MPa，蜗壳由VOITH公司制造，蜗壳钢板最大厚度40mm。小浪底水电站采用垫层蜗壳，其垫层采用VOITH公司供给的两层粘胶泡沫板，为非线形变形，其变形模量是变化的。蜗壳下半圆直接埋在厂房二期混凝土中，以便充分利用下半圆外围混凝土的握裹力作用减少钢蜗壳及座环的扭转变形。蜗壳上半圆铺设弹性垫层，人为增大钢蜗壳与混凝土之间的缝隙，使内水压力先由钢蜗壳独自承担；当内水压力达到一定值后，蜗壳产生膨胀，垫层被压缩，垫层就将与此压缩量相应的应力传到混凝土中。弹性理论分析表明，该应力值由弹性垫层的厚度与弹模之比控制。经估算，有10的内水压力传到外围混凝土中。3.3广州抽水蓄能电站水泵水轮机蜗壳广州抽水蓄能电站一、二期工程分别安装4台机组，单机容量均为300MW，总容量为2400MW。机组额定转速500r/min，飞逸转速750r/min。座环及金属蜗壳安装、焊接及探伤检查完毕后，进行蜗壳水压试验，然后在充水加压状态下进行外围混凝土浇筑。一期工程座环及金属蜗壳安装、焊接及探伤检查完毕后，进行蜗壳水压试验，试验压力为蜗壳设计压力的1.5倍，即1162.5m水头。在浇筑混凝土之前，将水压降到270m水头，在此水压下进行混凝土浇筑工作。二期工程的水压试验水头与一期工程相同，但浇筑混凝土时的保压值改为450m水头，是蜗壳最大静水压的83，比一期工程有了明显提高。3.4天荒坪抽水蓄能电站水泵水轮机蜗壳天荒坪抽水蓄能电站装有6台单机容量300MW的的可逆式水泵水轮机，总装机容量1800MW。蜗壳的静水头680m，计入水锤的动水头为870m。电站蜗壳由挪威供货，厂家一直要求蜗壳外不设垫层，认为可以不充水加压而直接浇筑混凝土，甚至表示可以不做水压试验，但业主要求进行水压试验并充水加压浇筑混凝土。电站座环与蜗壳安装完成后，在浇筑混凝土前进行水压试验，压力为最大工作压力的1.5倍，即13.0MPa。浇筑混凝土时蜗壳内充水加压值为80的最大静水压，即5.4MPa。3.5美国大古力、加拿大麦卡、列维尔斯托克电站水轮机蜗壳大古力水电站612MW水轮机蜗壳，进口直径10.5m，设计工作压力为1.22MPa，采用t-1号高强度钢板，其厚度比采用低碳钢减少40左右，因尺寸大，蜗壳所需钢板为454t，蜗壳在工地组装焊接后，全部焊缝进行X射线检查，再以内压力1.85MPa进行水压试验历时2小时，无渗漏现象，然后将水排空，对焊缝进行磁粉检验。经全部检验合格后，蜗壳再次充水，内部保持水压为0.98MPa，浇筑外围混凝土，历时2个月。混凝土浇筑完毕3天后，保持蜗壳内压力不变，对蜗壳四面进行混凝土压力灌浆。加拿大麦卡水电站单机容量435MW，总装机2610MW，水轮机最大水头183m。浇筑外围混凝土时蜗壳内水压力约为额定静水头。加拿大列维尔斯托克水电站单机容量460MW，总装机2760MW，水轮机最大水头130m，蜗壳进口直径6.85m。浇筑外围混凝土时蜗壳充内水压约为最大水头加上水锤压力上升值的55。3.6巴西、巴拉圭依泰普水电站水轮机蜗壳依泰普水电站的压力钢管伸缩节以下部分连同蜗壳，一起由工厂供货。蜗壳进口直径9.64m，蜗壳在平面上宽度为27.75m。蜗壳壳体在工厂中制作，由壳板组成的管节在现场拼焊而成。蜗壳和下部弯管设计压力(包括水锤值)为1.6MPa。蜗壳在1.5倍设计压力下进行水压试验。试验合格后，蜗壳内部充水，水压为水轮机工作压力，浇筑外围混凝土。4回龙抽水蓄能电站蜗壳结构型式选择经过以上分析和国内外工程实例可以看出，充水加压蜗壳结构通常首先施加高于设计水头的内压进行蜗壳水压试验，之后在某一水压下浇筑蜗壳外围混凝土，在混凝土的整个凝固过程中都要保持这一压力。钢蜗壳与外围混凝土之间的荷载分配比例可以根据需要进行选择，施工时充水的水压愈大，其联合承载的程度愈小。美国长期以来多采用充水加压浇筑混凝土的蜗壳结构。加拿大、巴西及西欧等国家的中、高水头的大型机组一般也采用这种类型的蜗壳结构。近年来，我国也开始采用充水加压蜗壳，如已建成的广蓄一、二期工程、十三陵、天荒坪、潘家口、二滩以及正在兴建的三峡水电站等。随着更多的抽水蓄能电站和大型常规电站的兴建，充水加压蜗壳这种结构型式在我国必将有着更加广泛的应用前景。南阳回龙抽水蓄能电站虽然装机规模较小，但水头高，机组转速高，且电站运行工况转换频繁。所以，根据国内外已建抽水蓄能电站蜗壳结构的经验，经分析和研究，决定本电站采用充水加压蜗壳结构，并选定充水加压值为350.00m水头，这样能保证在大多数工况下，蜗壳与外围混凝土紧密结合，加强了机组的刚度，从而有效地减小了整体结构的振动，改善了厂房的运行条件。