糯扎渡电站蜗壳工地打压试验研究

张 涛

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

糯扎渡电站蜗壳工地打压试验研究

张 涛

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

蜗壳是水轮机的重要承压部件，蜗壳的刚强度直接关系到整个电站的运行安全。2010年9月，糯扎渡工地对VOITH SIEMENS制作的蜗壳进行首台机打压试验，当蜗壳内水压力升至1.8MPa时，发现蜗壳进口段中心线的最大位移达到57mm，远远超过设计许可范围，从而造成工地打压试验被迫停止。2011年1月22日，工地对哈电机公司设计的蜗壳进行首台机打压试验，当蜗壳内水压力升至4.2MPa时，蜗壳进口段中心线的最大位移仅为 10.86mm，在设计许可范围内。本文主要对蜗壳断面形状进行分析，通过对蜗壳断面的对比研究，分析产生的原因，为预防类似事故的发生提供理论基础。

蜗壳；打压实验；蜗壳中心；位移

1 前言

糯扎渡水电站位于云南省思茅县与澜沧县交界处的澜沧江下游干流上，是澜沧江上一个以发电为主，同时兼顾防洪、改善下游航运、渔业、旅游和环保作用，并对下游水电站起补偿作用的特大型水电工程，系澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第五级。电站采用地下厂房结构，共装9台单机容量为650MW的水轮发电机组(其中哈电机公司6台，VOITH SIEMENS公司3台)。机组蜗壳采用钢板焊接结构，不考虑与混凝土联合受力，能够单独承受最大水压力，采用保压浇筑混凝土，蜗壳流道形线和尺寸与模型水轮机相似。受厂房结构的限制，距机组‘x’中心线7585mm以外的蜗壳进口部分不参与保压浇筑混凝土，但在此段蜗壳进口上半部外表面铺设弹性层。

1.1 水轮机蜗壳设计参数

1.1.1 VOITH SIEMENS公司蜗壳（如图1所示）参数

设计最大水压力：2.8MPa

工地静水压力试验值：4.2MPa

蜗壳进口直径φ：7314mm

蜗壳浇注方式：工地保压浇注蜗壳重量（单台）：389770kg

蜗壳断面形状：圆+椭圆复合断面（可能是为了减小X方向的机组宽度以及降低蜗壳重量）

1.1.2 哈电机公司蜗壳（如图2所示）参数

设计最大水压力：2.8MPa

工地静水压力试验值：4.2MPa

蜗壳进口直径φ：7200mm

蜗壳浇注方式：工地保压浇注蜗壳重量（单台）：460175kg蜗壳断面形状：全圆断面

图1 VOITH SIEMENS公司蜗壳

图2 哈电机公司蜗壳

1.2 VOITH SIEMENS公司蜗壳工地打压试验

2010年9月，糯扎渡工地对VOITH SIEMENS公司设计制造的蜗壳进行首台机打压试验（如图3所示），图中字母位置为测点位置，用来监测蜗壳打压过程中的变形量。通过对蜗壳位移进行现场监测（如图4所示），当压力升至1.8MPa时，发现蜗壳进口段中心线最大位移达到 57mm，并在蜗壳内水压力逐渐升高过程中，进口中心段位移将继续增大。由于蜗壳位移过大，远远超过设计值，不能满足工地浇筑混凝土的要求，业主担心最终可能会导致蜗壳流道形状结构的改变，被迫停止工地打压试验，至使保压浇注混凝土工期被推迟，严重影响工地整体工程进度。

图3 工地打压试验

图4 工地打压监测装置

2011年1月22日，糯扎渡工地对哈电机公司设计的蜗壳进行打压试验，在试验过程中，工地采用同样的检测装置对蜗壳进口中心位移进行检测，当蜗壳内压力升至 1.8MPa时，蜗壳进口部分顶部最大位移为4.62mm，仅为 VOITH SIEMENS公司蜗壳变形值的1/12；当蜗壳内压力升至最大试验压力值4.2MPa时，蜗壳进口部分顶部最大位移仅为10.86mm（如图6所示），完全满足设计要求。

图5 VOITH SIEMENS蜗壳工地打压试验曲线

图6 哈电机蜗壳工地打压试验曲线

2 蜗壳中心位移产生原因分析

国内外电站经常采用蜗壳工地打压、保压浇注混凝土方式，此浇注方式技术比较成熟，可以检测水轮机蜗壳、座环焊缝的焊接质量，测量蜗壳做水压试验的膨胀量及消除因焊接引起的焊接应力，同时蜗壳中的水可带走混凝土中的热量，减小座环、蜗壳变形。

对于糯扎渡水电站，在蜗壳打压过程中压力值仅上升到 1.8MPa，远没有达到蜗壳静水压力试验值4.2MPa，此时VOITH SIEMENS公司的蜗壳进口中心线位移达到 57mm，出现变形量过大现象，严重影响保压浇注混凝土和将来机组的安全、稳定运行。为了消除蜗壳变形过大给机组带来的影响，首先应该对变形产生的原因进行分析。

在设计蜗壳过程中，需要考虑机组流道的光滑、机组的效率和蜗壳的应力水平，为了降低成本，还需要考虑降低蜗壳整体重量。VOITH SIEMENS公司采用了特殊的蜗壳断面形式，此断面形式在国内属首次采用，国内常采用圆断面和椭圆断面两种断面形式VOITH SIEMENS公司糯扎渡蜗壳采用椭圆与圆相结合的断面结构形式（如图7所示），而哈电机公司糯扎渡蜗壳采用圆断面结构形式（如图8所示）。

图7 VOITH 蜗壳断面结构

图8 哈电机蜗壳断面结构

在糯扎渡工地蜗壳打压试验中，对于椭圆与圆相结合的断面结构形式的蜗壳，在蜗壳内部水压作用下，断面形状将发生急剧变化，通过对此结构在不同压力条件下的有限元分析可以看出（图9），有变成圆断面的趋势，最终导致蜗壳中心线严重偏离设计要求。对于采用圆断面结构形式的蜗壳，它的受力状况要比其他结构形式要好得多，圆断面受内部水压蜗壳变形比较均匀，中心偏离设计值要小得多（图10）。

3 处理方法

（1）水力设计阶段，选用合适的断面结构形式。

（2）对于有工地打压试验要求的蜗壳，蜗壳进口部分不宜采用椭圆、圆与椭圆相结合的断面结构形式，应采用受力状况比较好的圆断面结构形式。

4 结束语

通过对蜗壳断面型线和产生位移原因的对比分析研究，VOITH SIEMENS公司最终对其设计的3台机蜗壳进行修改，将进口部分圆与椭圆相结合断面全部割掉，更换成全圆断面结构，并重新进行打压试验，蜗壳中心位移满足设计要求，成功实现保压浇注混凝土。

图9 VOITH SIEMENS蜗壳在不同水压条件下椭圆与圆相结合的断面结构形式X向变形

图10 哈电机蜗壳在不同水压条件下圆断面结构形式X向变形

电站实践表明：对于工地需要进行压力试验和保压浇注混凝土的蜗壳，在选用蜗壳断面结构形式上需要特别谨慎；另外，在选择蜗壳的材料及厚度时也需注意，以预防蜗壳工地打压时蜗壳断面变形量过大的事故再次发生。

审稿人：刘光宁

Bulge Test Research of Spiral Case In Nuo Zha Du Power Station

ZHANG TAO
(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Spiral case is an important confined part of turbine, the stiffness and strength is directly related to the safe operation of the power station. In September, 2010, NUO ZHA Du power station put up bulge test on the first spiral case made by VOITH SIEMENS. When the water pressure is up to 1.8MPa, the maximum displacement of the spiral case inlet is up to 57mm, far beyond the permitted limits, and therefore, the bulge test was stop. In January 22, 2011, the NUO ZHA Du power station put up bulge test to the first spiral case made by HEC, when the water pressure is up to 4.2MPa, the maximum displacement of the spiral case inlet is only 10.86mm, within the scope of design permission. In this paper, we maily analyze the cross-section shape of the spiral case to find the causation through contrast research, in order to prevent the occurrence of similar accidents and provide a theoretical basis.

spiral case; bulge test; spiral case center; displacement

TK730.3+12

A

1000-3983(2012)02-0042-04

2011-05-11

张涛（1984-），2008年毕业于华中科技大学能源与动力工程专业，现从事产品设计工作，助理工程师。