（水利水电工程专业论文）厂顶溢流式水电站厂房动力分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 水电站厂房由于其结构特点和功能需要，运行中的振动问题非常普遍。炳灵水电站 厂房本身既是发电建筑物，又是泄洪挡水建筑物，同时厂房的上下游面均与水体直接接 触，形成凌空面，结构的质量与刚度沿其高度的变化是不连续的，存在突变，这就使得 厂房结构的稳定性、动力载荷作用下的响应问题变得更加重要。但对于采用贯流式机组 的厂顶溢流式水电站厂房的振动问题，国内研究尚属空白，而国外研究的也不是很多。 本文以国内首座采用贯流式机组的厂项溢流式水电站为研究对象，分析了厂房的振动特 性；主要包括厂顶溢流时水流脉动压力对厂房的影响，机组运行时机组动荷载对厂房的 影响。进而考虑了动水压力对结构自振特性的影响，进行了共振校核。研究结果为全面 了解此种形式的水电站厂房结构的动力特性和改进其抗振设计提供了依据。本文的主要 工作如下： ( 1 ) 结合炳灵水电站，分析电站运行过程中的主要振源特性，包括机械振动、电 磁振动和水力振动，研究其幅值和频率特性。 ( 2 ) 建立单机组段的有限元三维数值模型，计算分析厂房的自由振动模态和振动 频率，鉴于结构形式的复杂性，分别建立若干种不同的计算模型，以反映整体和局部的 振动形态。 ( 3 ) 根据设计单位提供的脉动压力资料，利用相关分析原理，对资料进行分析计 算，求出点面脉动压力的转换关系。 ( 4 ) 经相关分析，将点脉动压力转换为面脉动压力，并考虑机组振动荷载，计算 联合动荷载作用下的结构动态反应，使得计算结果具有较高的可靠性和工程精度。提出 厂房结构振动允许建议值标准，根据厂房振动评价标准建议值，对振动状态加以评价， 讨论水电站厂房的抗振设计问题以及减振措施。 ( 5 ) 研究机组振动是否会诱发厂房振动。 ( 6 ) 研究了厂顶溢流情况下厂房结构的振动特性。 论文在对研究内容进行总结的基础上，对今后进一步的研究工作和方向提出了建议 关键词：贯流式机组；溢流式水电站；相关分析；自振；脉动压力 大连理工大学硕士学位论文 d y n a m i c sa n a l y s i so fo v e r f l o wp o w e r h o u s e a b s t r a c t a st h ec h a r a c t e r i s t i ca n df u n c t i o n a ln e e d so fs t r u c t u r e ，t h ev i b r a t i o no fp o w e r h o u s e c o m m o n l yd u r i n go p e r a t i o n b i n g l i n go v e m o wp o w e r h o u s e a l en o to n l yg e n e r a t i n gb u i l d i n g s b u ta l s ow a t e rr e t a i n i n ga n dd i s c h a t g es t r u c t u r e ，m e a n w h i l e , t h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a m f a c e o f t h e p o w e r h o u s e d i r e c tc o n t a c t w i t h w a t e r ，t h e r e i s m u 协f i o m o f s t i f f n e s s a n d m a s s o f p o w e r h o u s ea l o n gw i t ht h eh e i g h to f p o w e r h o u s e ，s oi ti si m p o r t a n tt oa n a l y z et h es t r u c t u r e s t a b i l i t ya n dt h es t r u c t u r a lv i b r a t i o nr e s p o n s e sw h i c h i n d u c e db yf l u c t u a t i n gp r e s s u r e so ff l o w a n dd y n a m i cl o a d s a tp r e s e n t , r e s e a t c h e so nv i b r a t i o n so ft o po v e r f l o wh y d r o p o w e rh o u s e s a t ef e w i nt h i s p a p e rb a s e do nt h ef i r s tt o po v e r f l o wp o w e r h o u s eu n d e rc o n s t r u c t i o ni n c h i n a ，t h ed y n a m i cr e s p o n s e so ft h eo v e r f l o wp o w e r h o u s eu n d e rt h ec o m b i n e da c t i o n so f d i 珏锄td y n a m i cp r e s s 们c a l c u l a t e d ，i n c l u d i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s e so fp o w e rh o u s e u n d e rt h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r eo ff l o wa n dd y n a m i cl o a d sf r o mt h eb u l bh y d r og e n e r a t o r s t h e r e a f t e rr e s o n a n c ec h e c kw a sm a d eb ya n a l y z i n gs o m ep o s s i b l ee x c i t a t i o ns o u r c 鹤t h e r e s u l t sr e s e a r c h e dw i l lp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p t i m i z i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o f t h eo v e r f l o wp o w e r h o u s es t r u c t u r eo f b u l bh y d r og e n e r a t o rp o w e rp l a n ta n di m p r o v i n gi t s r e s o n a n c ed e s i g n i t sp r i m a r yc o n t e x ti n v o l v e sf o l l o w i n ga s p c c l ( 1 ) a n a l y z es o m ep o s s i b l ee x c i t a t i o ns o u r c e so fb i n g l i n gt o po v e r f l o wp o w e r h o u s e u n d e r o p e r a t i n g ， i n c l u d i n gt h ef r e q u e n c y o fh y d r a u l i cf l u c t u a t i o n ，d i s e q u i l i b r i u m e l e c t r o m a g n e t i cr o m ea n dm e c h a n i c a lf o r c e ， a n da n a l y z et h ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so f p o s s i b l ee x c i t a t i o ns o u r c 锚 ( 2 ) am o r er e a l i s t i ct h r e e - d i m e n s i o nm o d e lo fs i n g l eu n i b l o e ki sm a d e ；t h e d y n a m i cc h a r a c t a 4 s t i co ft h eo v e r f l o wp o w e r h o u s ea t ec a l c u l a t e d i no r d e rt or e f l e c tt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fw h o l ea n dp a r t i a lo ft o po v e r f l o wp o w e r h o u s e ，t h ed i f f e r e n t m o d e l sa r em a d e ( 3 ) b ya n a l y z i n gt h ep u l s a t i n gp r e s s u r ed a t at a k e nf r o mt h em o d e lt e s to nh y d r a u l i c p o w e r h o u s eb yd e s i g ni n s t i t u t e , t h e c o n v e r s i o nc o e f f i c i e n to ff l u c t u a t i n gp r e s s u r e f r o m - p o i n t - t o a r e aw a sd e d u c e dt h r o u g ht h ec o r r e l a t i o na n a l y s i st h e o r y ( 4 ) a n a l y z et h ed y n a m i cr e s p o n s eo fw h o l es t r u c t u r eu n d e rt h ep u l s a t i n gp r e s s u r e w h i c hm u l t i p l i e db yc o n v e r s i o nc o e f f i c i e n ta n dd y n a m i cl o a d sf r o mt h eb u l bh y d r og e n e r a t o r s 。 t h ea c c u r a c yo fc a l c u l a t i o ni sh i g he n o u g hf o r p r a c t i c a lp u r p o s e s t h es t a n d a r d so f i i i 厂顶溢流式水电站厂房动力分析 p o w e r h o u s ev i b r a t i o na r ed i s c u s s e d ，as a f e t ye v a l u a t i o no nt h ev i b r a t i o no fp o w e r h o u s eh a s b e e nm a d e ，a n ds o m es u g g e s t i o n so nv i b r a t i o nr e d u c t i o nm e a s u r eh a v eb e e np r o v i d e d ( 5 ) a n a l y z et h ed y n a m i cl o a d sg e n e r a t e db yt h eb u l bh y d r og e n e r a t o r sw h e t h e ri t i n d u c e dt h ep o w e r h o u s er e s o n a n c eo rn o t ( 6 ) a n a l y z et h ed y n a m i cr e s p o n s eo fw h o l es t r u c t u r eu n d e rt h eo v e r f l o wp u l s a t i n g p r e s s u r e b a s e do nas u m m a r yo ft h er e s e a r c hi nt h ep a p e r s ，剐) l n ep r o p o s a l st of u r t h e rs t u d y0 1 1 t h i sp r o b l e mh a v e b e e nm a d e k e yw o r d s ：b u l bh y d r o g e n e r a t o r ；o v e r f l o wp o w e r h o u s e ；c o r r e l a t i o na n a l y s i s ；v i b r a t i o n ； f l u c t u a t i n gp r e s s u r eo ff l o w i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名 大连理工大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师繇盈堑受 力孚f 月仁r ， 大连理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文的研究背景和意义 从我国能源规划目标来看，水电在电力结构中所占比例将进一步的提高。我国拥有 十分丰富的低水头水力资源，据不完全统计1 4 , 5 1 ，我国经过规划的、水头在2 5 m 以下的 水电站，总装机容量计约1 3 4 0 0 m w 。在华东、中南以及沿海等地区，工农业生产发达， 用电需求量增加较快，可开发的中、高水头水力资源目前己所剩不多。因此，为满足工 农业迅速发展的需要，开发利用低水头水力资源( 包括沿海的潮汐资源) 已引起各方面 的广泛关注 与高水头水电站相比，低水头水电站由于水头较低，主要靠增大引用流量做功，因 而在同样出力下，如果采用立轴式机组，水轮机的尺寸和重量相应增加，机组单价提高， 电站建设造价增大。为此，有必要寻求性能较优的机组型式。许多工程实际和研究表明， 贯流式水电站正是开发低水头水力资源较好的方式。贯流式水电站是指采用贯流式水轮 机组、开发低水头水力资源而建造的水电站。灯泡贯流式机组与立式转桨机组相比，具 有良好的通流特性，效率较高，单位过流量大，比转速高，尺寸小，厂房结构简单，电 站投资省等优点。这种水电站一般工程量小、建设周期短、淹没损失少、见效快、便于 集资，因此发展也很快。 炳灵水电站采用了国内尚无施工实例的厂顶溢流式贯流机组布置型式，泄洪表孔从 厂房运行层和主机层之问通过，排沙孔从水轮机流道侧壁通过。溢流式厂房为多孔洞的 复杂三维结构。河床式厂房作为挡水建筑物，既要承受上、下游水压力，且遇三年以上 洪水( 2 7 0 0 “2 7 0 m 3 s ) 时，在泄洪表孔、排沙孔泄洪的情况下，机组还要运行发电， 导致厂房结构型式和受力条件比较复杂，机组和泄流诱发的厂坝振动问题有时比较为突 出1 6 - 9 1 。 溢流式厂房布置形式具有显著的优点，如；发电、挡水与泄水建筑物重叠布置，过 流能力大，可解决汛期宣泄大洪水的问题；降低了边坡开挖的工程量；较“一字排列” 的布置形式，可节省大量的工程量与投资，加快施工进度【吼1 0 l 。因此，这种布置形式在 国内外均有大量采用，包括俄罗斯的卡皇夫水电站、卡玛水电站和萨拉托夫水电站等， 以及我国的新安江、乌江渡、修文、漫湾和蜀河等大中型工程。但各工程的规模、布置 形式和运行特点等均有差异。比较而言，炳灵水电站泄流量较大，表孔单孔过流量达 9 9 0 m 3 s ，布置上的突出特点是泄洪表孔在厂房运行层和主机层之间通过，泄流表孔距离 厂顶溢流式水电站厂房动力分析 机组较近，流道结构较为单薄( 多为板式结构) ，且左侧下部与流道同高程处有排沙孔 穿过，结构更为复杂。 在机组正常运行和表孔、排沙孔泄流的共同工作状态下，厂房结构处于极为复杂的 静动态荷载耦联作用环境下，过流产生的流激振动、机组振动、下游的水位波动等，均 属于非定常的随机振动，结构的共振、过大的强迫振动和流固耦联振动等不利的激励振 源，是结构运行稳定性和安全可靠性的重要控制因素。另外，厂房结构不仅是泄流流激 振动的载体，也是贯流式机组的支撑体，机组振动与厂房振动存在相互制约的耦联关系。 与炳灵工程类似形式的工程实例和研究成果尚不多见，激励振动、机组和泄流强迫振动、 流固耦联振动的机理揭示和分析与设计方法尚不成熟，因此，开展厂房振动和动力优化 方面的研究，对确保工程的稳定运行、结构安全和实现设计优化，为今后类似工程的设 计提供成熟经验，具有十分重要的学术意义和实践价值。 1 2 溢流式水电站发展概述 我国水力资源大部分位于高山峡谷地区，而装机容量大、机组台数多的厂房要占用 大部分的挡水前沿。而泄洪建筑物和其它建筑物( 例如船闸、筏道、鱼道等) 很难布置， 甚至无法布置。如果另辟溢洪道，又往往受到地形、地质条件的限制。在这种情况下， 通常有两种办法，其一是把厂房布置在河岸的一侧或两侧的地面或地下洞室内( 后者成 为地下厂房方案) ，但地下厂房方案往往不仅把厂房，而且还要把水电站上下游的引水 道和尾水管、水电站交通洞及通风、出线洞都布置在地下，相对而言，工程比较复杂， 将大大增加工程量、工期和投资。另一种办法，是设法把溢洪道和厂房结合起来，所谓 溢流式厂房方案，使厂房的部分或全部，与溢洪道在平面投影上重叠，以便共同使用一 段挡水前沿。这样，厂房和溢洪道都可以布置在河谷中，这种布胃形式的厂房称之为溢 流式厂房 9 1 。 溢流式厂房可分为溢流式坝内式厂房和坝后式厂房。溢流坝后式厂房又可分为厂顶 溢流式和厂顶不溢流式厂房( 挑越式厂房) 【l ”。 溢流式厂房首次出现在上个世纪3 0 年代。1 9 3 5 年法国首先在多冬尼河修建了鹰坝 ( l a i 西ed a m ) 水电站。随后法国修建了圣一爱纽一康塔莱( s a n - e i c n c e - c a n t a l 骼，1 9 3 9 年) 水电站，4 0 年代后期又修建了沙斯坦( c h a s t a n g ) 和波特( b o r t ) 溢流式水电站。 5 0 年代以后，溢流式水电站逐渐在世界各国的水电建设中得到推广，如捷克的斯勒皮 ( s l u p y ) 、保加利亚的安东尼诺维奇( a n t o n i v a n o v t s i ) 和伊凡诺夫勒( i v a i l o v g r a d ) ， 日本的新竹羽等一些水电站。溢流底板已扩展到厂房的全宽，底板厚度较薄，总泄流量 2 大连理：【大学硕士学位论文 及水头都有所增加；此外西班牙的萨利姆( s a l i m e ) 和日本的烟第一水电站发展了溢流 式厂房与底流式消能工相结合的新颖形式；6 0 年代初建成的法国蒙台纳尔水电站和苏联 的托克托古尔水电站，则发展了泄水道与厂房相结合的形式；7 0 年代以后，溢流式厂房 则向着高水头和大单宽流量方向发展，如土耳其的卡拉卡亚水电站厂顶以上水头落差达 1 1 3 m ，设计单宽流量1 2 7 m 3 ( s m ) 我国是发展溢流式厂房较早的国家之一，已建成的有新安江、修文( 猫跳河二级) 池潭、乌江渡等水电站，它们在水工布置上各具特色，且工程建设速度快。5 0 9 代末修 建的新安江溢流式厂房，坝高1 0 5 m ，从坝高至厂房顶落差5 8 7 5 m ，厂顶溢流设计洪水 9 5 0 0m 3 ，s ，校核洪水1 3 2 0 0 m 3 s ，相应的单宽流量分别为5 4 9 和7 6 3 m 3 ( s m ) ，这些指 标在当时都居于世界前列。6 0 年代兴建的修文水电站，发展了薄拱坝一厂顶溢流式厂房 的新颖结构，建成后屡次经受泄洪的考验。7 0 年代我国又先后修建了池潭和乌江渡两个 溢流式水电站，前者厂房与大坝整体连接，避免了厂坝接缝的渗漏，后者厂房顶水头突 破百米大关，单宽流量达到2 0 7m 3 ( s m ) 。表1 1 列举了一些国内外溢流式水电站工程实 例。 表1 1 国内外溢流式厂房水电站工程实例 t a b l e l 1s e v e r a le x a m p l e s o f o v e r t l o w d o w c i s t a t i o n i n t h e w o r l d 序号工程名称坝型坝商泄洪溢洪道 流量堰顼水孔效孔宽 头( m )( 个)( m ) 卡拉卡亚( 土)重力拱坝 1 8 01 7 0 0 01 3 1 0 1 4 托克托古尔( 苏) 重力坝2 1 51 1 0 09 12l o 乌江渡( 中)重力拱坝1 6 55 4 0 01 821 2 萨利姆( 西)重力拱坝1 3 1 52 0 0 06 441 2 安东尼诺维奇( 保) 重力坝1 4 52 0 6 09 648 娜第一( 日)空心大头埙1 2 52 4 0 0741 3 6 蒙台纳尔( 法)拱坝1 5 52 5 0 01 0 021 5 新成羽( 日)重力拱坝1 0 32 4 0 09 561 0 波特( 法)重力拱坝1 2 01 2 0 01 0 528 2 5 那格鲁重力坝1 1 0 4 0 0 0 1 041 2 新安江( 中)宽缝重力坝1 0 5 9 5 0 01 291 3 鹰坎( 法)重力拱坝9 54 0 0 01 241 3 圣- 爱纽一康塔莱( 法)重力拱坝 7 01 0 0 07 72 1 2 池潭( 中)宽缝重力坝 7 88 5 2 01 6 1 551 1 7 沙斯坦重力拱坝8 54 0 0 01 921 3 斯勒皮重力坝7 2 2 6 0 0 8 1 4 瓦尔佐勃勒斯波重力拱坝5 73 0 0 0931 5 伊凡诺夫格勒空心重力埂7 15 2 5 01 0 7 541 4 5 修文拱埂4 99 5 0 4 551 0 皮科特 双曲拱坝1 0 01 0 4 0 01 5 5 3 x 4 2 6 4 x 8 4 x 3 0 3 2 x 1 0 ，l x l 8 5 4 x 2 3 9 x 7 2 5 3 x 5 3 x 2 9 4 2 x 5 3 x 7 6 ，1 x 0 6 3 x 5 2 x 2 5 2 x 3 3 2 x l 普利亚文重力坝5 5l o 如m 嘣 篓一 装m 2 3 4 5 6 7 8 9”他”巧：宝体悖加一n 厂项溢流式水电站厂房动力分析 1 3 贯流式水轮机的发展概况及分类 世界上很多发达国家，低水头水力能源开发利用率非常高，而灯泡贯流式水轮机被 公认为是开发中低水头水利资源比较有优势的机型。贯流式水轮机一般应用于水头在 2 5 m 以下的水电站，它与中、高水头的混流式和冲击式水轮发电机组，以及低水头的轴 流式机组比较，具有如下显著的优点 4 1 ： ( 1 ) 电站从进水道到尾水方向基本上是轴向贯通流向。如灯泡贯流式水电站的进 水管和出水管都不拐弯，形状简单，过流通道的水力损失较小，施工方便。 ( 2 ) 贯流式水轮机具有较高的过流能力和比转速，在水头和出力相同的条件下， 转轮直径要比立轴转桨式水轮机减| q 0 左右。 ( 3 ) 贯流式机组结构紧凑，与同规格的轴流式机组相比其尺寸较小，可布置在坝 体内，不需要复杂的引水系统，减小了厂房的建筑面积，相应地就减少了电站的开挖量 和混凝土土方量，相关资料研究表明，可节省土建投资2 0 3 0 。 ( 4 ) 贯流式水轮机适合于可逆水泵水轮机运行。由于进出水流道没有急转弯，使 水泵工况和水轮机工况均能获得较好的水力性能。应用于潮汐电站，可具有双向发电、 双向抽水和双向泄水等多种功用。因此，非常适宜综合开发利用低水头水力资源。 ( 5 ) 贯流式水电站一般比其它型式电站建设周期短，投资少，收效快，淹没移民 少，电站更靠近城镇用电中心，有利于发挥地方兴建电站的积极性。 贯流式水电站一般采用河床式水电站布置型式，电站厂房为挡水建筑物的一部分， 厂房顶有时也布置泄洪建筑物。因此机组型式与厂房结构及其布置形式密切相关。由于 水头较低，挡水建筑物大部分采用当地材料坝，以土石坝为主。有的电站由于河流地形， 地质条件的特点，也采用引水式布置，如我国四川安居、湖南南津渡水电站则采用明渠 引水式布置。 ( 1 ) 全贯流式机组发展概况 贯流式水轮机是水轮机家族中较年轻的成员。贯流式机组一般可分为半贯流式和全 贯流式两种，全贯流式机组的设想最早由美国的哈而扎于1 9 1 9 年提出的，它的发电机布 置在水轮机转轮的外缘外，因此，它的发电机又称为轮缘式发电机。实际上这类机组发 电转子和水轮机的转轮已经结合位一体，因此厂房的跨度很小，可节省大量土建投资， 但它的密封技术要求特别高。经过瑞士爱舍维斯( e s t h e rw y s s ) 公司近2 0 年的努力，于 1 9 3 7 年，爱舍维斯公司生产出第一台样机，安装在德国莱茵河上的一座水电站上，单机 容量1 7 5 3 k w ，转轮直径2 0 5 m ，最高水头9 m 2 1 1 。 我国对这类机组的研究和应用均较少，目前正在研制5 删级机组，已通过鉴定且 已运行的机组为武汉汽轮机厂生产的，该机组已安装在湖北白莲河水库渠首电站上，容 4 大连理工大学硕士学位论文 量为1 2 0 k w ，转轮直径1 2 m ，最大运行水头5 m 。世界各国部分大中型全贯流式水电站参 数列于表1 2 。 半贯流式机组又分为轴伸式、竖井式和灯泡式三种。轴伸式和竖井式一般应用在小 型电站上，单机容量较小。大、中型贯流式电站一般采用灯泡贯流式机组。 表1 2 部分全贯流式水电站参数 t a b l e l 2 s o m e p a r a m e t e r s o f t u b u l a r h y d r o p o w e r p l a n t s ( 2 ) 轴伸贯流式机组发展概况 轴伸贯流式机组由德国人库尼( k f i h n e ) 于1 9 3 0 年发明并获专利。首台机组由瑞士 爱舍维斯公司设计，1 9 5 2 年由阿里斯查密尔( a l l i sc h a i m e r s ) 公司制造，安装在美国密 执安州的劳沃波恩特( l o w e r p a i n t ) 电站，单机容量为1 6 6 k w ，转轮直径为0 7 6 m ，水头 6 1 m 。这类机组的发电机布置在流道外，具有安装、检修维护方便等特点，而被广泛应 用于低水头的中、小型电站中。这类机组根据发电机的位置又可分为前轴伸、后轴伸和 斜轴伸等三种。目前世界上已运行的单机容量最大的轴伸贯流式水电站为美国的奥扎尔 卡( o z a r k ) 水电站，容量为2 5 2 d w ，转轮直径8 m ，设计水头9 8 m ，于1 9 6 5 年投产。这 类机组的尾水流道经常布置成s 型，所以又称为s 型贯流式机组 2 2 1 。 我国目前已经运行单机容量最大的轴伸贯流式水电站为1 9 9 5 年投产的广东罗定双 车水电站，单机容量为2 i v y ，转轮直径为2 7 5 m ，最大水头8 m 。国内部分外轴伸贯流式水 电站参数列于表1 3 。 ( 3 ) 竖井贯流式机组发展概况 厂顶澈流式水电站厂房动力分析 竖井贯流式机组是将发电机置于转轮前流道中的空心“闸墩”内的另一类贯流式机 组。由于其空心“闸墩”提供的空间远比灯泡机组的密封仓要大得多，可以布置增速齿 轮以提高发电机转速，从而减少造价，因此适用于更低水头。由于空心“闸墩”有如坑 井，所以也被为坑井贯流式机组。目前世界上单机容量最大的竖井贯流式机组安装于美 国的路易斯安那州的威达亚水电站。单机容量2 5 m w ，转轮直径8 2 m 。部分国内外为竖 井式水电站的参数如表1 4 所示。 表1 3 国内外部分轴伸贯流式水电站机组参数 t a b l e l 3s o m e p a r a m e t e r s o f s h a f l - e x t e s i o n t u b u l a r u n i t s i l is o m ec o u n t r i e s 表1 4 国内外部分竖井式贯流水电站机组参数 t a b l e l 4 p a r t i a l t e c h n i c a l p a r a m e t e r o f s h a f t - w e n t u b u l a r u n i t i n t h e w o r l d ( 4 ) 灯泡贯流式机组发展概况 为了克服全贯流式机组密封技术困难的问题，爱舍维斯公司于1 9 3 3 年提出了将发电 机密封于一个容器中且前置于水轮机前流道的全新设计方案。首台机组于1 9 3 6 年安装在 波兰的诺斯汀( r o s t i n ) 电站并成功投产。该机组容量为1 9 5 k w ，转轮直径为1 9 5 m ，水 头3 7 m 。因其发电机组外形类似于自炽灯泡的形式，而被称为灯泡贯流式机组。由于灯 6 大连理 ：大学硕士学位论文 泡式机组的发电机密封安装在水轮机上游侧的一个灯泡形的金属壳体结构中，发电机主 轴与水轮机转轮水平联接，水流基本上轴向通过流道，周向对称流过水轮机叶片，然后 轴向流出直锥形尾水管。其构造示意图如图1 1 所示。机组轴系支撑结构、导轴承和推力 轴承等均布置在灯泡体内。由于水轮机流道水流畅直，水力效率较高，有较大的单位流 量和较高的单位转速。尺寸相对较小，土建费用较低。但发电机布置在水下密闭的灯泡 体内，给通风冷却、密封、轴承布置和运行检修等带来一定的困难。由于结构和技术性 能均优于全贯流式机组，在2 0 世纪5 0 6 0 年代世纪能源危机、重视开发低水头水力资源 时期，显示了其强大的生命力。目前全世界投产的灯泡贯流式机组已有数千台套，总容 量已超过6 0 0 0 m w ，已建成的总装机容量最大的为美国石岛水电站，单机容量为5 4 1 v i w ， 转轮直径为7 4 m ，水头1 2 1 m ，共8 台机组，总装机为4 3 2 m w 。单机容量最大的为日本 的只见水电站，为6 5 m w ，转轮直径6 7 m ，最大水头2 0 m 。美国悉尼墨累电站机组转轮 直径最大，达8 2 m 【1 2 1 1 2 1 1 。世界各国部分大型灯泡贯流式水电站机组参数如表1 5 所示。 表1 5 各国部分大型灯泡贯流式水电站机组参数 t a b l e l 5s o m e p a r a m e t e r s o f b u l b t u b u l a r u n i t s i n t h e w o r l d 7 8 9 电站名称国别投产年装机容量单机容转轮直流量转速水头( m ) 份( 年) ( m w ) 量( m w ) 径( m ) ( m 3 s ) ( r r a i n 詹大额最 ) 定小 皮埃尔坝法国 1 9 6 68 02 06 13 3 3 8 3 3 1 2 57 8 3 5 尼特 博凯尔法国 1 9 7 02 1 03 56 2 54 0 09 3 81 5 31 0 7 鲁希荣法国 1 9 7 72 4 04 06 ，2 54 0 0 9 3 s1 2 5 阿尔顿沃 奥地利 1 9 7 33 6 0柏6 03 3 41 0 3 41 8 0 71 4 , 01 0 5 尔顿 雷辛美国 1 9 7 74 9 , 22 4 67 74 4 46 2 i7 06 2 杰瑙夫斯奥地利 1 9 8 11 3 9 54 6 56 54 3 01 5 01 2 5 顿 萨拉托夫前苏联 石岛美胃 1 9 8 23 6 04 57 55 2 87 51 5 71 0 66 5 1 9 7 74 3 25 47 44 8 18 5 71 5 51 2 16 0 只见日本 在我国，灯泡贯流式水电站建设起步比较晚，我国对灯泡贯流式机组的研制是从6 0 年代开始。1 9 6 5 年，我国建成国内第一座灯泡贯流式水电站蒋堂水电站( 浙江) ， 该水电站单机装机容量4 0 k w 。 s o g 代，我国建成了广东白垢灯泡贯流式水电站，该水电站总装机容量2 0 m w ，水 轮机转轮直径5 5 m ，最大水头l o m ，成为当时国内最大的灯泡贯流式水电站。这标志着 7 序号 l 2 3 4 5 6 厂顶溢流式水电站厂房动力分析 我国已基本掌握灯泡贯流式机组的制造技术。1 9 8 3 年在湖南又建成了马迹塘灯泡贯流式 水电站。该水电站总装机容量5 4 m w 。 进入9 0 年代，随着国内外灯泡贯流式机组研制技术的不断成熟，我国灯泡贯流式水 电站建设进入了蓬勃发展时期。此时，我国相继建成了南津渡( 6 0 m w ) 、马骝滩 ( 4 6 5 m w ) 、都平( 3 0m w ) 、江口( 4 4 m w ) 、百龙滩( 1 9 2 m ) 等中、小型灯泡贯 流式水电站据不完全统计，“八五”、“九五”期间开发的2 0 m 以下水头、电站装机 2 5 m w 以上的电站容量达到2 8 9 0 m w 1 3 - 1 5 】。 8 大连理工大学硕士学位论文 9 *t霉馨蔫0拳鼙蠢艇t_露暖耷霉_铸蛙、，li|拳_辕挂薯椿囊-峙迸t去雕睁馨冀瞎哆备幡攀嚣簪蔫。 -求理早黯_*靖豁-巾聋，lc”竹错1母曾魁0c_旃蔼。-6n h辫鞋鲺蕾-，端n嶙誊砷翠群嚣，式_*纛舡疆嚣_醑款挂幅尊 m簟鼍纂蒿一f蕾，#髯搿攀墨嗽，茹_坼饕鞯，嚣”蜒蜊；2，一”群瓣上l n_皇霉一蹄；要_麓毫誊静i鐾m曩鼍母；：”瞬*鞋霉， ”警*甜譬一簟嚣馨；=搿馨宝_t-r_馨瓣和砖髯*奔卜_辱一；嚼_黛越i”n僻。*肇孽鼻，竹*繁艇缸1个”靛睡瓤爱i_ 霹撼翱嚣懈并椒耀疑_：薯 厂顶溢流式水电站厂房动力分析 目前，国内部分已建和在建的灯泡贯流式水电站见表1 6 。其中，已投入运行的灯泡 贯流式水电站中，单机装机容量最大的是青海尼那水电站洲单机装机容量为4 0 m w ， 最大水头1 8 m ，额定水头1 4 5 m ，最小水头6 m ，2 0 0 3 年5 月投产发电。 2 0 0 3 年1 2 月，广西长洲水利枢纽工程正式启动【2 5 l ，该工程共安装1 5 台灯泡贯流式电 发机组。是我国最大的一座灯泡贯流式水电站，总装机容量6 2 1 3 m w ，总投资6 0 亿元， 建成后多年平均发电量3 0 9 1 亿k w h 。2 0 0 7 年初第一台机组发电，机组预定于2 0 0 9 年底全 部发电。 2 0 0 4 年1 1 月，我国首座采用灯泡贯流式机组的厂顶溢流式水电站_ l 丙灵水电站在 甘肃正式开工，炳灵( 寺沟峡) 水电站位于甘肃省永靖县与积石山县交界处电站坝址位子 寺沟峡峡谷进口以下1 2 5 k m 处的塔坪村，上距大河家水电站2 9 5 k m ，尾水与刘家峡水电 站水库回水衔接；下距已建刘家峡水电站4 4 5 k m 。水电站设计总装机容量2 4 0 m w ，保 证出力8 8 3 m w ，将安装5 台目前国内最大的单机容量为4 8 m w 的灯泡贯流式机组，多年 平均发电量9 7 4 亿度。 表1 6 国产部分大型灯泡贯流式水电站机组参数 t a b l e l 6 s o m e p a r a m e t e r so f b u l b t u b u l a r u n i t s i n c h i n a 1 4 水电站厂房的振动问题 如同其它动力机器一样，水轮发电机组在运行过程中不可避免要产生振动，但如果 振动超出一定范围，就会直接影响到机组的安全稳定运行，缩短检修周期和使用寿命， 严重时还会引起引水管道和整个厂房的振动，以至被迫停机。 我国上世纪五、六十年代投入运行的一些机组，因提前发电、系统负荷少等因素， 出现过长期低负荷运行，致使水轮机运行稳定性较差。但由于机组容量小，闯题尚不突 i o 大连理t 大学硕士学位论文 出近3 0 年来随着系统的扩大，单机容量、机组尺寸不断增大，机组及厂房结构的剐度 相对降低，水轮机在运行区容易出现水力不稳定现象，并不同程度地引起厂房甚至大坝 的强烈振动。经调查表明瞄州，国内外有很多水轮发电机组在运行当中多有出现不同程 度的振动问题，其中有的严重影响了水电站的正常运行。灯泡贯流式机组由于其结构的 特殊性，依靠管型座、灯泡头底部的下支撑以及两根斜支撑固定整个机组，机组稳定性 有其先天不足，故相对其它形式的机组而言，振动对结构的影响可能更为严重。以下介 绍一些国内水轮贯流式和其它形式发电机组振动实例。 1 4 1国内外水电站振动实例 北京的石景山模式口水电站，采用两台贯流式机组，于1 9 5 7 年3 月两台机组( 均为 o 3 万千瓦) 投产，自电站运行以来，其运行情况一直不好，机缓运行时产生强烈的振动， 振幅达3 m m ，剧烈的振动危及机组的安全运行，振动产生的噪声也给运行人员的工作环 境造成不利影响【2 ” 于桥水电站位于天津蓟县境内，单机容量1 2 5 0 k w ，装有4 台贯流式水轮发电机组。 3 号、4 号机组于1 9 8 8 年7 月至9 月问起动试运行。在试运行期间，为了掌握机组振动状况， 并积累经验和获得数据作为监测手段，进行了振动测试。测试内容为支撑部件振动和大 轴摆动。测试结果是：3 号机组振动规律性不好，噪声较大，甩负荷时振动明显增大， 振动剧烈；4 号机启动时，由于轴伸处密封调整不当，致使法兰摆度增大和尾水管振动 剧烈【2 s 。 都平贯流式水电站，为日调节电站，可调库容为3 4 0 7 万m 3 。总装机容量2 x1 5 m w 。 多年平均发电量1 2 6 亿k w h ，最大工作水头1 l m ，最小工作水头3 3 m ，额定水头7 4 m ， 机组额定流量2 3 1 2 3 m 3 s 。由于机组开停机频繁、运行状态的多变性、水流流态差及定 转子空气问隙不均匀等原因，2 台机组从1 9 9 2 年底投产至如今，机组振动致使机组导叶 剪断销多次出现断裂及主厂房地板和主横粱多处出现裂痕i 明 广东飞来峡枢纽工程位于北江干流中游清远市飞来峡管理区内，以防洪为主，兼有 航运、发电、养殖及改善生态环境等综合效益。为河床式水电站厂房，装置有4 台3 5 m w 灯泡贯流式水轮发电机组。在电站的运行过程中经常发生脉动压力的频率与过水系统的 自振频率共振，造成整个过流系统的强烈水压脉动，即尾水管、管型座和电站水上建筑 物等的振动；并且会引起机组转速不稳定，造成并网困难。同时多次出现齿盘测速探头 被磨损，造成其更换频繁，备品消耗严重；由于振动，多次出现导叶、轮叶位置传感器 电气连接插把松动脱落，而引起机组停机或甩负荷；另外，当电站机组处于。飞逸”泄 水工况时，尾水管进口处的压力脉动值明显增大，有时达到净水头的1 4 ；此时机组的 振动增大，水轮机室的的噪音也随之增加( 高达l l od b 左右) 【3 0 1 。 厂顶溢流式水电站厂房动力分析 岩滩水电站采用混流式水轮机，其转轮直径在国内率先由5 5 m 跃升至8 m ，单机容量 3 0 2 5 m w 。机组在运行过程中存在较大的水流压力脉动，转轮叶片屡屡出现裂纹，同时 引发厂房建筑物强烈共振。在6 0 m 水头以上、导叶开度在7 0 左右时，厂房结构振动最 为强烈，人员在发电机层楼板上难以站稳，影响工作人员的正常操作。为了避开振动区 域，机组被迫变负荷运行，电站不仅损失发电量，机组调节能力也大大降低，振动还危 及电厂的安全运行，也使操作人员紧张不安【3 “。 美国大古力水电站第三厂房( 1 9 号2 4 号机组) 于1 9 7 0 年兴建，1 9 7 8 年3 月对7 1 6 m w 的2 2 号机组进行真机实测，在h = 8 7 m 时，尾水管压力脉动最大值为5 5 m 7 6 m ，相对 值为6 3 8 8 。在不稳定运行区( 7 0 7 5 导叶开度区域) ，表现为尾水管水流脉动与 水导摆度急剧增大。电站规定的不稳定运行区的标准为：水导摆度不得大于0 2 5 4 m m 。 按此标准，2 2 号机组在水头h = 8 7 m 时，导叶开度需大于8 5 ，相应出力大于6 5 0 m w 时才 能避开不稳定区运行；而6 1 2 m w 机组，在水头超过1 0 0 m 后不稳定区已经扩展至6 0 0 m w 。 目前大古力机组的主要运行方式是开机后迅速越过不稳定区运行，旨在大开度大负荷下 运行，即3 0 p ( p 为出力) 以下不运行，3 0 3 5 p 很少运行，3 5 7 0 p 因压力脉动 大而不运行，带负荷时，为了跳过不稳定区，以每分钟1 5 7 j k w 的速度升负荷 3 4 - 3 7 1 。 巴基斯坦塔贝拉电站装机1 4 台。1 号4 号机组由日立公司制造，单机容量1 7 5 m w 。 子1 9 7 7 年开始投运：5 8 - 8 号机组由加拿大多米宁公司制造，于1 9 8 2 年开始投入运行： 9 号1 0 号机组由e w 在加拿大的子公司制造，单机容量为1 7 8 m w ，于1 9 8 5 年投入运行。 l