關(guān)于水電站廠房中定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及計(jì)算的探討

江禮為 后開祥

【摘要】水電站廠房中，定子基礎(chǔ)通常沿環(huán)向均勻布置，結(jié)構(gòu)型式多樣。本文探討了常用的幾種定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，通過分析，結(jié)構(gòu)可靠、施工方便的定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式為預(yù)埋鋼盒基礎(chǔ)，有限元法計(jì)算定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能更真實(shí)反應(yīng)受力狀態(tài)。成果可為今后類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】定子基礎(chǔ)；水電站廠房；結(jié)構(gòu)型式

1、引言

水電站廠房中，水輪發(fā)電機(jī)一般由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機(jī)架及制動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)組成，定子由定子機(jī)座、定子鐵芯、定子繞組、測溫裝置等組成，定子機(jī)座是一個(gè)承重和受力部件，機(jī)座下環(huán)用地腳螺栓固定在定子基礎(chǔ)上。水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的巨大靜動荷載主要通過定子機(jī)座傳遞至定子基礎(chǔ)，再傳遞到機(jī)墩結(jié)構(gòu)上。定子基礎(chǔ)通常沿環(huán)向作對稱均勻布置，有利于結(jié)構(gòu)的受力，具體結(jié)構(gòu)型式多樣，取決于設(shè)備廠家的技術(shù)要求。由于定子基礎(chǔ)承受著巨大的靜動荷載，不論采用何種結(jié)構(gòu)型式的定子基礎(chǔ)，都應(yīng)具有足夠的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性，滿足水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。在建或已建的水電站廠房中，定子基礎(chǔ)采用的結(jié)構(gòu)型式各有不同，但設(shè)計(jì)人員在做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，具體采用那種結(jié)構(gòu)型式的定子基礎(chǔ)較為模糊。因此本文擬從常見的幾種定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式作具體的分析探討，為設(shè)計(jì)提供參考。

2、常見定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式及應(yīng)用

通過對水輪發(fā)電機(jī)組受力結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，定子基礎(chǔ)承受的荷載有垂直荷載與水平荷載，垂直荷載包括發(fā)電機(jī)風(fēng)罩傳來荷載、定子基礎(chǔ)混凝土自重、靜定部分設(shè)備總重等，水平荷載包括正常扭矩產(chǎn)生的水平力、三相短路扭矩產(chǎn)生的水平力、正常運(yùn)行時(shí)由于質(zhì)量偏心產(chǎn)生的水平離心力、由正常轉(zhuǎn)速到飛逸轉(zhuǎn)速的瞬間因質(zhì)量偏心引起的水平力（對于半傘式機(jī)組，該部分重量由下機(jī)架基礎(chǔ)承擔(dān)了）、由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子半數(shù)磁極短路時(shí)引起的水平力等，受力較為復(fù)雜。如果處理不好，由于機(jī)組在各種工況運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生一定的振動，在長期運(yùn)行過程中，預(yù)埋在定子基礎(chǔ)內(nèi)的地腳螺栓就會產(chǎn)生松動，甚至可能從內(nèi)撥出，對整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生安全隱患。為此設(shè)計(jì)人員在做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視。本文列出了幾種常見的定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式。

a、傳統(tǒng)定子基礎(chǔ)，詳見圖1所示。一般采用二次灌漿澆注的工藝技術(shù)來固定發(fā)電機(jī)定子基礎(chǔ)板、地腳螺栓。安裝定子時(shí)，首先在一期混凝土澆筑時(shí)預(yù)留二期坑槽，并在一期混凝土內(nèi)預(yù)留插筋，表面鑿毛處理，用以加強(qiáng)一、二期混凝土之間的連接，然后將裝配完成的定子吊入機(jī)坑，調(diào)整好定子水平和高程后，再用混凝土灌入預(yù)留的地腳螺栓槽內(nèi)，通過地腳螺栓固定定子基礎(chǔ)板。

b、鋼套管定子基礎(chǔ)，詳見圖2所示。采用鋼套管鎖定地腳螺栓，首先將鋼套管與鋼墊板焊接，在鋼套管上焊接鋼筋接頭加強(qiáng)鋼套管與混凝土之間的連接，并在鋼套管上開孔焊接灌漿管，然后將制作好的鋼套管鎖定系統(tǒng)埋設(shè)固定到位，進(jìn)行混凝土澆筑，待安裝定子時(shí)將地腳螺栓安放在鋼套管內(nèi)，并固定定子基礎(chǔ)板，最后通過灌漿管灌漿，將地腳螺栓澆筑密實(shí)在鋼套管內(nèi)。

c、鋼盒定子基礎(chǔ)。與鋼套管結(jié)構(gòu)型式較為相似，采用在鋼盒內(nèi)鎖定地腳螺栓的方式，同理首先加工制成鋼盒鎖定系統(tǒng)，埋設(shè)安裝到位，然后澆筑混凝土，待定子安裝到位后再進(jìn)行灌漿澆筑密實(shí)地腳螺栓。詳見圖3所示。

d、楔形鋼盒定子基礎(chǔ)。該結(jié)構(gòu)型式由鋼盒定子基礎(chǔ)改進(jìn)而來，鋼盒樣式調(diào)整為上小下大的楔形體。該結(jié)構(gòu)鋼盒上不用焊接鋼筋接頭，系統(tǒng)加工制作簡單。詳見圖4所示。

3、優(yōu)缺點(diǎn)分析

上述幾種定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式在工程中都有采用，各有優(yōu)缺點(diǎn)：

a、對于傳統(tǒng)定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，較為常規(guī)，常用于裝機(jī)單機(jī)容量較小，承受荷載較小的機(jī)組。但由于預(yù)留坑槽體積較小，施工時(shí)無法按照常規(guī)方法立模、拆模及處理一、二期混凝土接縫，從而影響一二期混凝土的結(jié)合質(zhì)量；再者由于空間狹小，地腳螺栓不易固定，導(dǎo)致混凝土澆筑時(shí)地腳螺栓發(fā)生移位等現(xiàn)象；更大的缺點(diǎn)是在澆筑二期混凝土?xí)r，定子基礎(chǔ)板已經(jīng)就位，露出的回灌二期混凝土的孔很小，往往會造成二期混凝土澆筑不密實(shí)的問題，從而導(dǎo)致地腳螺栓的澆筑不牢固，機(jī)組長期運(yùn)行過程中由于振動的原因會造成地腳螺栓產(chǎn)生松動，危及機(jī)組的安全運(yùn)行。隨著水電站工程的不斷發(fā)展，該種結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用得越來越少。

b、比起傳統(tǒng)定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，鋼套管結(jié)構(gòu)型式有了較大改善，首先是鋼套管鎖定系統(tǒng)澆筑在一期混凝土內(nèi)，減少立模、拆模等復(fù)雜施工工序；其次，鋼套管上焊接了鋼筋接頭，底部還焊接了鋼墊板，有效的增加了與一期混凝土之間的結(jié)合；最后是通過灌漿管注入有壓力的漿液，能使鋼套管內(nèi)地腳螺栓澆筑密實(shí)，并且地腳螺栓在鋼套管內(nèi)移位有限，使得地腳螺栓澆筑前固定較為簡單。該種定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式雖然解決了鋼套管鎖定系統(tǒng)與一期混凝土之間的結(jié)合問題，但是鋼套管內(nèi)壁與澆筑混凝土之間的結(jié)合質(zhì)量難以保證良好，再者鋼套管鎖定系統(tǒng)加工也比較復(fù)雜。

c、鋼盒定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，與鋼套管結(jié)構(gòu)相比，在鋼盒上內(nèi)外都焊接了鋼筋接頭，有效解決了鋼盒與內(nèi)外混凝土的結(jié)合質(zhì)量問題。因要焊接鋼筋接頭，鋼盒鎖定系統(tǒng)加工仍較為復(fù)雜。

d、楔形鋼盒定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是鋼盒結(jié)構(gòu)型式上的改進(jìn)，采用上大下小的楔形狀鋼盒，取消了在鋼盒上焊接鋼筋接頭，使得加工較為簡單，但仍能滿足結(jié)構(gòu)受力。

分析可知，楔形鋼盒定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較其他三種結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢，它不僅施工簡單，能加快施工進(jìn)度，還能有效的保證地腳螺栓的固定效果。結(jié)構(gòu)整體性較強(qiáng)，提高定子基礎(chǔ)及機(jī)墩剛度，減小機(jī)組的振動，為機(jī)組長期安全運(yùn)行提供了保障。

4、定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算

定子基礎(chǔ)承受徑向、切向和豎向三向荷載，受力較為復(fù)雜（見圖5）。為了滿足定子基礎(chǔ)剛度及穩(wěn)定要求，需要對定子基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)力及墩子的劈裂力計(jì)算。定子基礎(chǔ)應(yīng)力按下式計(jì)算：

4.2 有限元法計(jì)算

根據(jù)定子基礎(chǔ)受特點(diǎn)和承載方向，建立三維整體有限元模型，選取典型計(jì)算方式進(jìn)行剛度計(jì)算，從而判斷出設(shè)計(jì)定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是否滿足要求。以某大型水電站為例，該電站機(jī)墩結(jié)構(gòu)中共有12個(gè)定子基礎(chǔ)板，對基礎(chǔ)板進(jìn)行編號（見圖6）。

選取兩種計(jì)算方式，一是在定子基礎(chǔ)上加載水平力F1的不同作用方向和作用形式，進(jìn)行定子基礎(chǔ)水平剛度計(jì)算；二是在定子基礎(chǔ)上加載豎向力F2，進(jìn)行定子基礎(chǔ)豎向剛度計(jì)算，其中F根據(jù)其他大型工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取較大值20 MN/mm。進(jìn)行定子基礎(chǔ)水平剛度計(jì)算時(shí)，考慮到支承荷載分布的不均勻性，假設(shè)12個(gè)基礎(chǔ)板只有7個(gè)承受水平荷載，其中1個(gè)基礎(chǔ)板承擔(dān)F/3荷載，另外2個(gè)基礎(chǔ)板各承擔(dān)F/6荷載，而另外4個(gè)基礎(chǔ)板各承擔(dān)F/12荷載。因此當(dāng)荷載向量水平旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，便有12種荷載組合，而進(jìn)行定子基礎(chǔ)豎向剛度計(jì)算時(shí)，基礎(chǔ)板均勻承擔(dān)豎向荷載F2。豎向最小剛度計(jì)算值為130.5MN/mm，荷載組合1～荷載組合12中各荷載組合下，定子基礎(chǔ)截面處沿力的作用方向的最大位移值及相應(yīng)的水平最小剛度（沿力的作用方向）見表1。

從表中可以看出各荷載組合下，定子基礎(chǔ)截面處沿力的作用方向的最大位移即水平最小剛度均位于荷載值較大的荷載作用點(diǎn)處，且沿力的作用方向的位移分布基本相同，只是隨著荷載的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。

目前對于小型水電站，采用常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算定子基礎(chǔ)的受力狀況。但對于大型或者巨型水電站，因機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量大，定子基礎(chǔ)承受的荷載大且復(fù)雜，建議采用有限元方法計(jì)算復(fù)核。由上可知，有限元計(jì)算方法更能反映定子基礎(chǔ)的實(shí)際受力狀況。

5、結(jié)語

本文介紹了幾種常見的定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，通過對比分析，楔形鋼盒定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最優(yōu)，施工簡單，結(jié)構(gòu)可靠，對水電站機(jī)組的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行有利。定子基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法有結(jié)構(gòu)力學(xué)法和有限元法，根據(jù)電站的具體情況選用。

參考文獻(xiàn)：

朱聘儒.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊-水力機(jī)械[M].北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 1999.

顧鵬飛，喻遠(yuǎn)光.水電站廠房設(shè)計(jì)[M].北京： 水利電力出版社， 1987.

水工設(shè)計(jì)手冊第二版第八卷水電站建筑物[M].北京：中國水利水電出版社， 2013.

陳煒，張建軍.二灘水電站550MW機(jī)組定子安裝[J].四川水力發(fā)電.1999（18）：67-71.

李軍.高水頭大型水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)難點(diǎn)及對策[J].水電站機(jī)電技術(shù).2013（36）：7-11.

張浩，黃純德等.某水電站定子基礎(chǔ)螺栓焊接工藝研究[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化.2013（58）：56-73.