水轮机蜗壳的结构设计问题探究

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摘要：我国近年来引进的机组其蜗壳焊接后多数要在工地进行蜗壳的水压试验，水压试验尽管可以消除部分残余应力，但量值有限，又因蜗壳的设计应力不大、设计技术比较成熟、焊接和制造工艺稳定，而且有有效的检测手段和经验，所以我国水电站的蜗壳可不要求做工地水压试验。

Abstract: In recent years, China's spiral casing imported machines need to go through the hygro pressure test. Although the hygro pressure test could eliminate partial residual stress, the quantity is limited. And the design stress of spiral casing is not big and the design technology is mature, the welding and manufacture process are stable. And there are effective testing methods and experience, so China's hydroturbine spiral casing could be free from site hydro pressure tests.

关键词：水轮机；蜗壳；弹性垫层；充压值

Key words: hygroturbine; spiral casing; cushion; pressure value

中图分类号：TH12 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）36-0189-01

1文章要探究的几个问题

1.1 钢蜗壳的外层。钢蜗壳的外层包有钢筋混凝土，两者之间或填以弹性垫层，或预留间隙，形成不同材料组合的联合承载结构，如何才能保证载荷分配比的实现，而且可靠。

1.2 钢蜗壳的支撑方式。钢蜗壳是大型薄璧构件，要经历挂装、焊接、（水压试验）、（充压）混凝土浇筑充水、放空等不同工作状态，这应对蜗壳采用什么样的支撑方式。

1.3 压力容器补强问题。在水轮机运行时，蜗壳是一个形如蜗牛、内侧开口的引水管道；当水轮机停机而压力水不放空时，蜗壳又是一个开口压力容器。蜗壳上的进人门、排水阀、测量表计等孔口是否应按压力容器规范补强。

1.4 防水措施。不管是设弹性垫层、还是充压浇筑混凝土，在运行中钢蜗壳和混凝土之间的间隙中都不允许充有水，采用什么措施来保证。

1.5 焊接残余应力。随着机组水头和容量的不断增大，蜗壳钢板的厚度已经达到70mm以上，如何考虑和解决焊接残余应力及其影响。

1.6 蜗壳有没有必要做水压试验。

2设弹性垫层和充压浇筑混凝土

2.1 充压浇筑法。充压后蜗壳自由变形，此时浇筑混凝土，当水压撤去后蜗壳与混凝土间能够形成设计预期的间隙。就保证了给定的载荷分配比例。充水压力以下的内水压力全部由钢蜗壳承担，充水压力以上部分的压力则由钢蜗壳和外包混凝土联合承担。

2.2 垫层法。①而蜗壳上半圆敷设弹性垫层时，情况就要不利一些垫层材料必须具有弹性模量低、吸水性差、抗老化、抗腐蚀、徐变小且稳定、造价低廉、施工方便等性能。②水电站的寿命很长，如国内丰满水电站已有60多年历史，世界上还能找到年过百岁仍在服役的水电站。③弹性垫层一般都敷设在设计规定的范围内。

2.3 两者的比较。①成本与工期。对于两者的成本和工期，笔者没有做过调查和比较只是一个要提供封水环和封头并充水压；另一个要购买垫层和辅助材料并细心敷设，两者应该相差不多。②压力的取值。a.水轮机的基础环、座环等基础部件，发电机定子机座和推力轴承支架的基础板都直接埋入电站基础混凝土。b.运行中的蜗壳充满水，总质量很大，组合结构的自振频率较高，一般不会与水力激振发生耦合。c.按外商提出的充压值，在水锤升压下，据推算，三峡电站钢蜗壳将只承担约60.1%的内水压，而外包混凝土却要承担47.1%。这样不但钢板材料的作用没有充分发挥，也会给钢筋混凝土的设计带来困难。d.外商的要求没有相应规范作依据，也与他们中的部分厂商在其他项目上的规定相矛盾。

3蜗壳开口处的加固、支撑设计和排水

蜗壳上通常设有进人门、蜗壳排水阀、测压计接头等附件。目前这些附件的孔口设计方法不统一，有补强的，也有不补强的，笔者认为应统一按ASME“锅炉与压力容器规程“的规定进行补强设计。

4焊接残余应力和疲劳强度

4.1 随着机组使用水头和容量的不断提高，大型中、高水头混流式水轮机的蜗壳钢板越来越厚。

4.2 由于蜗壳的残余应力很高，现场又不可能有效地进行去应力处理。这种接近屈服强度的残余应力，再加上工作应力，可以使壳体某些小“裂纹”所在区域实际上处于全面屈服。

4.3 蜗壳在服役期内会经历多次充水和放空过程，从受力角度看，就有多次应力循环。

4.4 模型试验和电站运行业已证实，蜗壳内亦存在压力脉动，其量值一般不超过运行水头的5%~7%。

4.5 由于蜗壳会有很大的残余应力存在，对大型蜗壳的选材、坡口型式、凑合节位置的选定、焊接材料和工艺、焊前预热和焊后的后热处理都应特别重视。

5凑合节的位置

凑合节的焊缝最后焊接，此时焊接结构刚度大，焊接残余应力也高。因此，设计上应注意凑合节位置的选择。我国的设计习惯为减少钢板规格，总是数节蜗壳采用同一规格厚度，同厚度蜗壳节的壳半径越小，其工作应力越低。

6水压试验

6.1 蜗壳是一个开口的特殊压力容器，其工作条件较一般意义的压力容器要好。

6.2 蜗壳设计上取水锤升压作为工作压力，对高强度钢板许用应力取材料屈服强度的1/3。实际蜗壳又与混凝土联合受力，工作应力将更低。

6.3 尽管蜗壳焊缝有很大的残余应力，但只要设计上对蜗壳进行临界裂纹尺寸和低周疲劳校核，蜗壳的安全性完全可以保证。

6.4 水压试验尽管可以消除部分残余应力，但量值有限。

6.5 蜗壳设计技术很成熟，选材谨慎，制造工艺稳定。

6.6 我国有专业化的水电施工队伍，有安装和焊接蜗壳的丰富经验，有良好的无损检测设备和缺陷判定经验。

7结论

7.1 以良好的施工工艺和支撑结构为前提，充压浇筑混凝土可以较好地保证钢蜗壳与混凝土之间的载荷分配，宜在大型工程上采用。

7.2 蜗壳上的所有孔口都应按压力容器规范补强，蜗壳外侧要有排除积水的措施。

7.3 蜗壳焊缝有很大的残余应力。设计上应进行临界裂纹尺寸和低周疲劳校核。

7.4 我国水电站的蜗壳可不要求做工地水压试验。

参考文献：

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[2]董毓新，郭永刚，钱学智，等.不同弹性垫层材料对水轮机蜗壳结构的影响研究[J].大电机技术，1996（4）.

[3]樊世英. 水轮机蜗壳的几个结构问题[J].水力发电，2009（4）.