关于水电站厂房中定子基础结构型式及计算的探讨

江礼为 后开祥

【摘要】水电站厂房中，定子基础通常沿环向均匀布置，结构型式多样。本文探讨了常用的几种定子基础结构型式及定子基础结构计算方法，通过分析，结构可靠、施工方便的定子基础结构型式为预埋钢盒基础，有限元法计算定子基础结构能更真实反应受力状态。成果可为今后类似工程的设计提供参考。

【关键词】定子基础；水电站厂房；结构型式

1、引言

水电站厂房中，水轮发电机一般由定子、转子、轴承、机架及制动系统、冷却系统组成，定子由定子机座、定子铁芯、定子绕组、测温装置等组成，定子机座是一个承重和受力部件，机座下环用地脚螺栓固定在定子基础上。水轮发电机组产生的巨大静动荷载主要通过定子机座传递至定子基础，再传递到机墩结构上。定子基础通常沿环向作对称均匀布置，有利于结构的受力，具体结构型式多样，取决于设备厂家的技术要求。由于定子基础承受着巨大的静动荷载，不论采用何种结构型式的定子基础，都应具有足够的刚度、强度、稳定性和耐久性，满足水轮发电机组的安全运行。在建或已建的水电站厂房中，定子基础采用的结构型式各有不同，但设计人员在做结构设计时，具体采用那种结构型式的定子基础较为模糊。因此本文拟从常见的几种定子基础结构型式作具体的分析探讨，为设计提供参考。

2、常见定子基础结构型式及应用

通过对水轮发电机组受力结构体系进行分析，定子基础承受的荷载有垂直荷载与水平荷载，垂直荷载包括发电机风罩传来荷载、定子基础混凝土自重、静定部分设备总重等，水平荷载包括正常扭矩产生的水平力、三相短路扭矩产生的水平力、正常运行时由于质量偏心产生的水平离心力、由正常转速到飞逸转速的瞬间因质量偏心引起的水平力（对于半伞式机组，该部分重量由下机架基础承担了）、由发电机转子半数磁极短路时引起的水平力等，受力较为复杂。如果处理不好，由于机组在各种工况运行时会产生一定的振动，在长期运行过程中，预埋在定子基础内的地脚螺栓就会产生松动，甚至可能从内拨出，对整个机组的运行产生安全隐患。为此设计人员在做结构设计时应引起重视。本文列出了几种常见的定子基础结构型式。

a、传统定子基础，详见图1所示。一般采用二次灌浆浇注的工艺技术来固定发电机定子基础板、地脚螺栓。安装定子时，首先在一期混凝土浇筑时预留二期坑槽，并在一期混凝土内预留插筋，表面鑿毛处理，用以加强一、二期混凝土之间的连接，然后将装配完成的定子吊入机坑，调整好定子水平和高程后，再用混凝土灌入预留的地脚螺栓槽内，通过地脚螺栓固定定子基础板。

b、钢套管定子基础，详见图2所示。采用钢套管锁定地脚螺栓，首先将钢套管与钢垫板焊接，在钢套管上焊接钢筋接头加强钢套管与混凝土之间的连接，并在钢套管上开孔焊接灌浆管，然后将制作好的钢套管锁定系统埋设固定到位，进行混凝土浇筑，待安装定子时将地脚螺栓安放在钢套管内，并固定定子基础板，最后通过灌浆管灌浆，将地脚螺栓浇筑密实在钢套管内。

c、钢盒定子基础。与钢套管结构型式较为相似，采用在钢盒内锁定地脚螺栓的方式，同理首先加工制成钢盒锁定系统，埋设安装到位，然后浇筑混凝土，待定子安装到位后再进行灌浆浇筑密实地脚螺栓。详见图3所示。

d、楔形钢盒定子基础。该结构型式由钢盒定子基础改进而来，钢盒样式调整为上小下大的楔形体。该结构钢盒上不用焊接钢筋接头，系统加工制作简单。详见图4所示。

3、优缺点分析

上述几种定子基础结构型式在工程中都有采用，各有优缺点：

a、对于传统定子基础结构，较为常规，常用于装机单机容量较小，承受荷载较小的机组。但由于预留坑槽体积较小，施工时无法按照常规方法立模、拆模及处理一、二期混凝土接缝，从而影响一二期混凝土的结合质量；再者由于空间狭小，地脚螺栓不易固定，导致混凝土浇筑时地脚螺栓发生移位等现象；更大的缺点是在浇筑二期混凝土时，定子基础板已经就位，露出的回灌二期混凝土的孔很小，往往会造成二期混凝土浇筑不密实的问题，从而导致地脚螺栓的浇筑不牢固，机组长期运行过程中由于振动的原因会造成地脚螺栓产生松动，危及机组的安全运行。随着水电站工程的不断发展，该种结构型式应用得越来越少。

b、比起传统定子基础结构，钢套管结构型式有了较大改善，首先是钢套管锁定系统浇筑在一期混凝土内，减少立模、拆模等复杂施工工序；其次，钢套管上焊接了钢筋接头，底部还焊接了钢垫板，有效的增加了与一期混凝土之间的结合；最后是通过灌浆管注入有压力的浆液，能使钢套管内地脚螺栓浇筑密实，并且地脚螺栓在钢套管内移位有限，使得地脚螺栓浇筑前固定较为简单。该种定子基础结构型式虽然解决了钢套管锁定系统与一期混凝土之间的结合问题，但是钢套管内壁与浇筑混凝土之间的结合质量难以保证良好，再者钢套管锁定系统加工也比较复杂。

c、钢盒定子基础结构，与钢套管结构相比，在钢盒上内外都焊接了钢筋接头，有效解决了钢盒与内外混凝土的结合质量问题。因要焊接钢筋接头，钢盒锁定系统加工仍较为复杂。

d、楔形钢盒定子基础结构，是钢盒结构型式上的改进，采用上大下小的楔形状钢盒，取消了在钢盒上焊接钢筋接头，使得加工较为简单，但仍能满足结构受力。

分析可知，楔形钢盒定子基础结构较其他三种结构具有明显的优势，它不仅施工简单，能加快施工进度，还能有效的保证地脚螺栓的固定效果。结构整体性较强，提高定子基础及机墩刚度，减小机组的振动，为机组长期安全运行提供了保障。

4、定子基础结构计算

4.1 结构力学法计算

定子基础承受径向、切向和竖向三向荷载，受力较为复杂（见图5）。为了满足定子基础刚度及稳定要求，需要对定子基础进行应力及墩子的劈裂力计算。定子基础应力按下式计算：

4.2 有限元法计算

根据定子基础受特点和承载方向，建立三维整体有限元模型，选取典型计算方式进行刚度计算，从而判断出设计定子基础结构是否满足要求。以某大型水电站为例，该电站机墩结构中共有12个定子基础板，对基础板进行编号（见图6）。

选取两种计算方式，一是在定子基础上加载水平力F1的不同作用方向和作用形式，进行定子基础水平刚度计算；二是在定子基础上加载竖向力F2，进行定子基础竖向刚度计算，其中F根据其他大型工程设计经验取较大值20 MN/mm。进行定子基础水平刚度计算时，考虑到支承荷载分布的不均匀性，假设12个基础板只有7个承受水平荷载，其中1个基础板承担F/3荷载，另外2个基础板各承担F/6荷载，而另外4个基础板各承担F/12荷载。因此当荷载向量水平旋转一周时，便有12种荷载组合，而进行定子基础竖向刚度计算时，基础板均匀承担竖向荷载F2。竖向最小刚度计算值为130.5MN/mm，荷载组合1～荷载组合12中各荷载组合下，定子基础截面处沿力的作用方向的最大位移值及相应的水平最小刚度（沿力的作用方向）见表1。

从表中可以看出各荷载组合下，定子基础截面处沿力的作用方向的最大位移即水平最小刚度均位于荷载值较大的荷載作用点处，且沿力的作用方向的位移分布基本相同，只是随着荷载的旋转而旋转。

目前对于小型水电站，采用常规结构力学计算方法计算定子基础的受力状况。但对于大型或者巨型水电站，因机组单机装机容量大，定子基础承受的荷载大且复杂，建议采用有限元方法计算复核。由上可知，有限元计算方法更能反映定子基础的实际受力状况。

5、结语

本文介绍了几种常见的定子基础结构型式，并分析了各自的优缺点，通过对比分析，楔形钢盒定子基础结构最优，施工简单，结构可靠，对水电站机组的长期安全稳定运行有利。定子基础结构计算方法有结构力学法和有限元法，根据电站的具体情况选用。

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