（水利水电工程专业论文）双排机水电站厂房结构动力分析与识别.pdf

摘要 中文摘要 随着水电事业的蓬勃发展，水轮发电机组的容量和尺寸日趋增大，由此诱发 的水电站厂房结构振动问题也日益突出。目前，对于水电站振动问题在结构动力 特性，振源识别、振动响应预测等方面仍存在很多不足，特别是对于双排机水电 站厂房，由于体系的特殊性和复杂性，相关的动力研究更显不足，在双排机所特 有的机组联合运行特性等方面的研究几乎是空白。因此，对该问题作进一步的深 入探讨十分必要。本文依据李家峡双排机水电站等大型水电站的真机试验数据， 结合正反两方面分析，对水电站振动问题开展研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 对机械、电磁、水力等三方面荷载的合理作用机制及特性进行分析。重 点探讨了尾水涡带对厂房结构的作用，根据尾水管点压力脉动，推求出整个锥管 面压力脉动分布，进而提出涡带的合理模拟方法。 ( 2 ) 根据双排机水电站厂房现场测试成果，对振源进行识别；找出影响厂房 结构振动的最为主要的动荷载，从量级上评估水电站厂房振动问题中的各种动荷 载的作用效果。 ( 3 ) 基于动力学原理分析停机过程中结构振动及荷载的变化，将机组测试与 结构测试成果相结合，并充分利用小波分析的优点，提出一种应用停机过程识别 厂房支承结构动力特性的方法。 ( 4 ) 对双排机水电站中双排布置的上下游机组单独运行时的稳定性规律和 厂房结构振动情况进行研究，找到上下游机组单独运行时的差异，在此基础上进 一步分析双机联合运行时的运行特性和厂房结构振动响应，总结不同负荷组合情 况下的上下游机组相互影响规律，为双排机电站运行提供依据。 ( 5 ) 分析水电站正常运行时水压脉动、机组垂向振动、厂房结构垂向振动之 间的位移与频率关系，确定垂向动荷载的来源。在此基础上，基于实测资料对厂 房结构进行三维有限元反馈分析，提出了一种计算厂房结构垂向动位移的方法。 对多个大型电站工程的振动响应研究表明，采用该方法的计算结果较规范提供的 计算方法更加接近实测值。 ( 6 ) 分析了机组起动过程中的轴向力、扭矩、不平衡力等几种主要荷载的变 化情况，提出一种计算开机过程中厂房结构动力响应的方法。 关键词：水电站双排机真机试验动荷载小波分析联合运行开机过程 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec a p a 嘶a n d 萄o fm o d e mh y d r o g e n e r a 衄硫b e c o m el 辑w i l ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h eb 曲联i k c h i c 即蛔溅t h ev i b r a t i o no fp o w e r h o n s es l m c m r eh a s i n c r e a s i n g l yb e c o m eam a j o rp r o b l e n l a tp r e s e l 血t h es t u d y0 1 1d y l ：1 龇1 i cd 麓暇k 魍枷co f t h e p 叫惺击巩l s m z t u r e , 啊b i 缸b 州阳i d e n t i f i c a t i o na n dv i b r a i i o nr e s p o n p r e d i o i o ni nt h e f o b l e mi ss t i l li n a d e q 咂蛾e s p 姗9b e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t ya n dp 枷c i = d i l yo f l o a da n d s c u c t 喝t h ed y l l l i cr e s e a r c h0 1 1t h ep o w e r h o u s eo f t w o - r o wp l a c e du n i t si sm 0 i ei n s t 墒c i e n t m ：l t h e s t u d y o n 曲叫髓嘲出娼o f l 础j o 眦哪a 和衄i s c l o s ez 啪1 1 嘲_ e l b 嗡i t ；ss i g n i f i c a m t od i s c u s st h e s ep r o b l e m sf h m 吼b a s e do np u t o t y p eo b s e r v a t i o nd a mo fas e r i e so fl 甜咎 h y d r o p o w 盯s 洲o n ss u c h 罄l i j i a x i ah y d r o p o ws _ 碰o n , t h ev i b r a t i o np r o b l e mi ss t u d i e di n t h i sd i 鹤朗c 0 i d i n g 幻t h et h e o r e l i c a l 锄蛐趣l dt h et e s tm a l y s i s t h ep j n c i p a lc o n t e n t s a n d a c h i e v e m e n t o f t i f f s d i s s e r t a t i o n a r e a s f o l l o w s ： 、 ( 1 ) 1 1 1 e c b 龇吼触0 f m 鲥僦d e m 嘣珥删c 锄d h y 蛐l o a d s a r e a n a l y z e d a n d t h e i rr e a s o n a b l ea c t i n gm o d e s 黜d i s c u s s e c l 脚e c i 幽位d i s t r i b u t i o nr u l eo f t m i l i n g 慨i s r n a 锄ys t u d i e d a c c o r d i n gt ot h et e s t 托s n 晦o f p o i n tp r e s m f l u c t u a t i o no f m i lp j p c ，p r e s s u r e f l u c t u 出i o nd i s t r i b u t i o no f l h cw h o l ec o n i c a lt u b es u r f a c ei s 擘i i l 】| c da n dr e a s o n a b l e 面1 i i 】l 妇 m e t h o d o f v o g e x a c t i n g i s p u t f o r w a r d ( 2 ) a c c 0 i d i n g t o f i e l d t e s t o f p o w e r h o u s e o f t w o - r o w p l a c e d u n i t s , l h e v i b r a t i o n s o = c e s 黜 i d e n l i f i e d t h em o s tm a i nd y l 越1 1 i cl o a d s 衄i n d u c ev i b r a t i o no fp o w e r h o u s es m l e m r e 黜 f o u n do u t t h ea c t i n ge f f e c t so f v a r i o u sd y n a m i cl o a d sa r ee v a h a t e d f r o mm a g n i f y ( 3 ) b a s e do np r i n c i p l eo f d y i l 越l i c s , 妇s m u ：t u r a lv i b r a l i o na n dt h ev g 舶i l i t yo fl o a d s d u r i n gr m c h i r 世h a l t i n g 艄哪锄a ：嘲b yc 0 哟b j 血gt h eu n i t st e s tr e s u l t sw i t hs w a c l n m l t e s tr e s u l t sf u r t h a m o 峨ai 删m e t h o dt oi d d 嘶d y l l 趣l i cc h a r a a e 枷c so fp o w e f l l o u s e s u p p o r t i n gs l m e t u r eu s 吨b a l 吨p r o c e s si sp u tf o r w a r d t h em e t h o dm a k e s 劬l | s co f 此 a d v a r a a g eo f w a v e l e ta n a l y s i s ( 4 ) s t a b i l i t y r u l e a n d p o w e r l u s e 咖瑚峨诚) 觚o f 叩蚴a n d d o 啪s 呦n m 如鼬 a n a l y z e d 锄dd i f f e n m c e sb e l w e e l lu p s l r e a ma n dd o w n s t r e 锄ai m i t s 批乎面甜w h i l eu n i t s 躺 o l , e r s 血g b y l b e m s e l v e s f u r t h e r , c h m c t e r 硎c sa n d v i b r , 血o n r e s p o n s e o f p o w e r h o u s es l r u c t u r e 勰s n 】d i e d 蛐c o m b i n e d o p e r a t i o n o f t w o - r o w p l a c e d u n i l s = x l e r v a i o u s l o a d i n g c o n d i t i o n s s o m e c o n c l u s i o n s f a v o r a b l e t o g u i d e t h e o p e r 嘶o n o f t i e r e l e v a n t p r o j e c t a r e d r a w i l aa z 坩o u g ha n a l y s i so fm l a l i o mb c t 、煳as e r i e so ff l u c t u a t i o na n dv i t r a f i o nd u n g 玎o n l l a lo p t i o no fh y d r o p o w e rs t = i o ni sp r o v i d e d , h c l u d i l l gp r e s s l n ef l u c t u a t i o n , v e r l i e a l a b s t r a c t 、r i h 越o n o f l m 娃锄d w 螗c dv i b 匝i o 虹o f p c 刑吲吣u 辩f r o m r d a t i o u s l ) e t w c e nc l i s p h c e m c m 商e q 邺o f w b r a l i o n , s o l a - 1 笼o f w d c a lv l 捌o ni sf o u n do t r b a s e do l l 位d 姆删d a 魄 f e e d b a c k 盈m 瞬出o f 3 - df e m i su s e dt oa n a l y z ep o w e r h o u 簖s l r u c t t n ea n dal l e wm e t h o do f c a l c u l a t i n gv e r t i c a l 由砸卸血d i s o l a c e m e n ti sa d v a n c e d t h es t u d yo i lv i b 础o n 豫印伽o f s e v e r a ll a r g ep o w e r s i i 吐i o i i ss h 0 h 喀l h a t 吐l ec a l c 峨代笃i 】：妇o f 砷vm e l h o d 猫n l 嘴c l o s et o 埘、，a l u e s l b 趾s t 田1 ( i a r d 坨= 凼。也 旧t h em 删。僻o fn l a 6 0 r 南鹪s u c h 笛a x i a lf o r c e , 姗a n du n b a l a n c e df o r c e 勰 t l l m d l 辫a n a b 捌a n da1 螂m e t h o dt oc a l c u l 如d y 瑚m i cr e s p o n 靶o fp l a n t 曲汕m 聆i n s t 确口g 印珥o 嚣j s p m 如r v 闭d k e y w o r d s ：h ) 曲q 删s 脚锄，押静w p l a o 。d 吣弘0 6 蛳o t 联帆衄由i i l 锄血 l o a d , w a v e l e t a n a l y s i s , c o m b i n e d o p e r a t i o n , s t a r t i n g u p p r o c e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得壁烂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同意测霹弼侈蹰馓的任伺贡徽已在s 仑文中作了明确的说明并表示了谢 意。 靴：基富辩日飙2 1 ) 站年月1 2 j 日 2 必包签字嗍2 口蛄年月2 j 日 本学位论文作者完全了解醚烂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 丕鲎鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 黝作糙名：奏 导师签名： 签字日期：功哆年f j 月2 3 日签字日期： 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 本文的选题背景 众所周知，我国水电资源以6 7 6 亿千瓦的蕴藏量和3 7 9 亿千瓦的可装 机容量据世界之首【1 1 。但长期以来，我国的水电开发利用程度较低，不仅远 远落后于美国、加拿大、西欧等发达国家，而且也落后于巴西、埃及、印度 等发展中国家 2 1 。随着国家西部大开发战略的实施和对可持续发展的认识， 水电事业的建设步伐大大加快。二滩、三峡、小浪底等一系列特大型项目的 开工，使我国水电事业发生了根本上的改观。至2 0 0 4 年9 月，随着黄河公伯 峡水电站首台机组投产发电，我国水电总装机容量已经突破1 亿千瓦。然而， 水电事业的高峰方兴未艾，又一批世界级的工程已经或正将拔地而起，这其 中主要有【3 6 1 ：龙滩( 9 台7 0 0 m w ) 、小湾( 6 台x 7 0 0 m w ) 、溪洛渡( 1 8 台 7 0 0 m w ) 、向家坝( 8 台7 5 0 m w ) 、拉西瓦( 6 台x 6 2 0 m w ) 、瀑布沟( 6 台 x 5 5 0 m w ) 、构皮滩( 6 台x 6 0 0 m w ) ，锦萍一级( 6 台6 0 0 m w ) 等，届时 我国水电在总装机容量、总发电量方面将远远超过美国、俄罗斯、加拿大而 成为世界水电第一大国【刀。 在各种型式的水电站建筑物中，水电站厂房都是必不可少的，它是将水 能转变为电能的枢纽建筑物。虽然水电站厂房的规模、型式、布置各不相同， 但从生产电力、输送能源的角度来看，厂房枢纽的建筑物一般可分为主厂房、 副厂房、主变压器场、高压开关站四大部分【l 】。其中，主厂房安装水轮发电 机组及其控测设备，并布置有机组主要部件组装和检修的场所，是水电站厂 房枢纽的核心部分。副厂房中一般布有中央控制设各、电气设备、辅助设备， 以及必要的工作和生活设施，它主要是为主厂房服务的，因而一般都紧靠主 厂房。主厂房结构一般在高度上分为数层，最上层为发电机层，中间一层为 水轮机层，最下面一层为蜗壳层，若发电机层地板与水轮机层地板间高差较 第一章绪论 大，可在它们之间再加一出线层i s 。习惯称发电机层以上的结构为上部结构， 发电机层以下称为下部结构，也可称支承结构，包括尾水管和机墩，其是水 轮发电机组荷载的直接承载体。 一 由于水轮发电机组及厂房结构的功能要求和结构特点，其在运行中的振 动问题非常普遍。尤其大型水电站因为具有高水头、大流量、大出力、过渡 过程复杂等特点。机组及厂房结构的剧烈振动，不仅对结构有一定的破坏作 用，影响机械、电气设备的运行，还将产生噪音和恶化厂内工作环境，因此， 机组及厂房结构的振动问题是水电站设计、运行中的一个重大问题，理应受 到重视。 我国上世纪五、六十年代投入运行的一些机组，因机组较小、停机检修 造成的经济损失也较少等因素，稳定性问题并未引起重视。近一、二十年来， 随着系统的扩大和缺电现象日趋严重，很多大型机组投产，而大型机组由于 振动限制运行甚至引发事故时所涉及的经济、社会等诸多方面问题也更为严 重，所以水电站的振动问题开始引起人们的高度关注。 湖南五强溪水电站5 台机组都存在振动范围大、幅值大的问题【l ”。1 、2 、 4 号机都曾因机组振动过大而发生过机械过速保护装置误动导致紧急停机事 件。1 、5 号机曾因水导摆度过大造成齿盘测速探头损坏。电站强振发生在低 负荷工况，此时尾水管内存在强烈的0 1 2 5 0 6 2 5 h z 的低频振动分量，其中 个别振动频率与厂房建筑物的自然频率非常接近，导致厂房产生共振。 广西红水河上的岩滩水电站混流式水轮机的转轮直径8 m ，1 9 9 2 年投产时 为我国当时转轮直径最大的混流式机组。随着电厂运行水位的提高，在小负 荷时机组尾水管出现强烈的低频水压脉动1 2 】。当运行水头大于6 0 m ，导叶开 度7 0 左右时，厂房结构出现剧烈的振动，噪声严重，人员在发电机层楼板 上难以站稳，并曾导致机旁盘误动作。 红石水电站是白山水电站的下游梯级电站，为河床式厂房。机组自运行 以来，一直存在较为明显的振动【1 3 】，主要表现为主轴摆度过大，噪声和厂房 结构振动。厂房上下游立柱在发电机层以上2 m 左右的断面上出现周边裂缝， 主副厂房的门窗及墙壁孔洞周边也均有裂缝出现。机组振动不仅直接影响到 厂房及档水结构，而且传递到挡水坝和溢流坝，引起大坝振动，造成大坝位 移观测设备精度降低。 2 第一章绪论 我国已投产的其它一些大型水电站如李家峡、三峡、二滩、小浪底、隔 河岩、天生桥一级、紧水滩、丹江口、高坝州、龙羊峡、葛洲坝也都不同程 度的发生过较为明显的振动现象【1 4 1 舢，甚至影响了电站的正常运行。国外几 座巨型混流式水轮机组也同样存在类似问题，如马斯切一汉泰斯克水电站、 伊泰普水电站、大古力水电站、上斯维尔斯克水电站、鲍里索格列勃斯克水 电站等【1 9 2 3 1 。 机组及厂房结构的过大的振动不仅危及水电站的安全运行，而且还影响 水电站和电力系统的经济运行。为保证机组的安全，应避开振动区运行，这 就给机组之间和系统内电站之间负荷的合理分配造成困难，因而不利于水电 站和系统的经济运行。 1 1 2 大型水电站振动问题突出的原因 根据研究和分析，大型水电站振动问题比较突出的原因主要有以下几个 方面： ( 1 ) 振动体刚度相对降低 在几何相似和保持静应力相等的条件下，厂房结构及机组部件的刚度与 其线性尺寸成反比。因此，可以定性的说，大型机组的支持部件和转轮叶片 的刚度要比中小型机组低。在同样的激振荷载下，大型机组的振动则要比中、 小型机组大得多。还需要注意到，单纯以强度为设计目标、简单的几何放大， 又没有采取实质性的预防措施，也许是导致一些大型水力机组稳定性不好的 根本原因。 ( 2 ) 动荷载相对增大 统计结果显示，大型水轮机的压力脉动要比中小型机组大得多阱】。其原 因在于流量大、易于受到干扰的影响。由压力脉动产生的动荷载，与承受压 力脉动部件的面积成正比。故即使在压力脉动幅值相同的情况下，大型水轮 机的动荷载相对比较大也是必然的。 + ( 3 ) 振动体固有频率降低，共振可能性增大 水轮发电机组属于低转速旋转机械，各种激发力频率相对较低。大型机 组振动部件的固有频率比较低，易于被低频激振力激发而产生共振。共振体 既可能是固体部件，也可以是水体。如在相当多的水电站中出现的引水管路 第一章绪论 水体共振现象。三峡个别机组在停机过程中出现的剧烈振动可能就是引水管 路水体共振的结果。 ( 4 ) 出现了一些新的振动现象 机组及电站变大，不是简单的几何尺寸增加，而是有了一定质的变化。 如近些年来发现，有些机组在高负荷区出现水力冲击波现象，类转频振动现 象等，此类振动经常超过正常情况下数倍，其原因仍有待进一步研究。 1 1 3 双排机水电站的振动问题 目前，大中型水电站多为竖轴机组，竖轴水轮发电机组的钢筋混凝土支 承结构一般有以下五种典型的型式2 5 】：圆筒式、矮机墩式、环梁立柱式、构 架式、双排式机组支承结构。其中双排机型式较为少见，其厂房的特点是： 机组呈前后对应双排布置，双排压力钢管单层与蜗壳相连，双排尾水管双层 出流，双排桥吊双排运行或转轨移跨单排运行，双排母线单层引出。 采用双排机布置方案可以很好的解决水能丰富的高山峡谷地段常规单 排机布置方案布置不下的问题，并可避免采用地下式厂房可能造成的对坝肩 山体削弱作用，和岸边隧洞引水式厂房所增加水头损失。从施工角度讲，用 双排机组厂房布置方案，可以取消规模巨大的地下工程，变地下施工为全地 面施工，有利于简化施工程序，加快施工进度2 6 1 。 我国黄河上游的李家峡水电站就采用了双排机方案，据资料显示该电站 为现今世界上已建和在建的第一大双排机电站。 从厂房结构自身来讲，双排机厂房为多台机组部分联合组成的一个整 体，形体上远比单排机结构复杂，各机组间相互影响很大，所以其动力特性 也更加复杂。对于双排机组支承结构由于上、下游机组的尾水管重叠布置， 所以支承结构的高度有所增加，这便结构刚度相对趋于减小，而双排机厂房 沿河向宽度增加大约一倍，这又有利于结构稳定。对于屋顶承重结构来说， 双跨厂房上部体系也较为独特。 从机组方面来讲，当水电站采用双排布置时，上游排机组直锥管段有很 大加深，下层尾水管长度较一般单排机厂房尾水管增加一倍以上；下游排机 组引水管道由于要绕过上游机组，所以也长于单排布置的情况。此时长尾水 管对应着较短压力管道，而较长压力管道则与较短尾水管相组合，再加上双 4 第一章绪论 层尾水管相互出流的影响等因素，将致使流道系统内的水体自振特性，尾水 管的压力脉动等都与常规机组有所差别，所以机组的运行特性也将不同。此 外，双排机组运行时，厂房结构的振源组合情况增多，动力响应也更加复杂。 客观地讲采用双排机组厂房布置在我国尚属首次，对此类水电站厂房， 尚缺乏完整的设计、施工和运行经验。 根据以上情况，为适应今后水电站的高水头、大容量化趋势和保证电站 的安全、经济运行，充分发挥其经济效益，对大型水力发电机组及双排机厂 房结构的振动开展原型试验、调查研究，并进行深入的分析，是一项具有重 要意义的工作。本文将系统探讨水电站厂房内的振源特性及作用机制，分析 双排机水电站的结构动力特性及振动耦联规律，对正常运行及过渡过程中的 厂房结构振动响应情况进行预测。以期为工程设计运行提供指导，推动工程 界更加充分的挖掘双排机布置型式的潜力和优点。 1 2 水电站结构振动相关研究的发展和现状 1 2 1 厂房结构自振特性分析 和任何结构一样，水电站厂房振动问题基本上也涉及三个方面，即结构 体系、荷载，振动响应三个方面。 水电站厂房按照其结构及布置特点一般可分为地面式、地下式、坝内式 及坝后厂顶溢流式等型式；地面式厂房又可分为；坝后式厂房、河床式厂房、 引水式( 或混合式) 地面厂房、露天式厂房等【1 1 。按机组轴装置的形式，又 可分为竖轴机组厂房、卧轴机组厂房等。 可见水电站厂房种类繁多，并且包括形状复杂的蜗壳、尾水管等结构。 所以在大规模有限元电算开展以前，厂房结构的振动特性研究一直进展较慢。 上世纪5 0 年代至7 0 年代，我国对水电站机墩和蜗壳钢筋混凝土结构多采取 沿圆周切取单位宽度，对结构进行动力计算，并且各部位结构也都作了较大 的简化，很明显，蜗壳、机墩，风罩和楼板梁等是一个空间结构，取其中某 一结构进行平面处理，所得结果难以反映实际情况。7 0 年代初以来，国外进 行了大比尺模型试验，国内几家高校也结合几项大型水电工程，通过模型试 第一章绪论 验、有限元计算和现场测试，研究了机组钢筋混凝土支承结构的动力特性和 动力响应 2 6 3 1 】，但当时由于计算机容量的限制，有限元计算还无法对结构各 部位都进行细致划分。进入9 0 年代，随着计算机速度的大幅度提高，和大型 商用有限元软件的出现，有限元计算得到进一步的发展。目前，有限元法在 现代结构力学，热力学、流体力学、和电磁学等许多领域中，都发挥着重要 的作用，可以用来解决大型结构的线性、非线性振动和稳定性分析3 2 q 4 】以及 随机场的特征值分析问题，其已经成为厂房结构振动的主要分析工具。对于 厂房结构自振特性的计算，一般来说只要边界条件及材料参数确定合理，有 限元计算都能得到合理的结果。 1 2 2 振源研究 除地震荷载诱发的振动外，水电站厂房的振动问题主要有两类：第一是 由主厂房内水轮发电机组的运行所引起的厂房结构强迫振动；第二是厂顶溢 流式厂房厂顶过流时的水流脉动压力诱发的厂房结构振动。 对于溢流式厂房的振动问题，己建成的厂顶溢流式厂房，如新安江、池 潭、修文水电站，以及厂前挑流式厂房，如乌江渡、漫湾等水电站的原型观 测表明，动水压力诱发厂房振动是微弱的，对厂房结构的运行与安全不会产 生很大影响3 5 】 3 6 】。并己编制成功二维及三维有限元紊流诱发振动动力分析程 序，应用于实际工程计算。 对于其它类型的厂房，水电站的振动几乎全部来自于水轮发电机组所产 生的振源，所以动荷载方面的研究主要就是水轮发电机组振动的研究。水轮 发电机组的振动是个很复杂的问题 3 7 1 ，不仅结构复杂，振动的机理也很复 杂。在水轮机发电机组运行过程中，流体振动、机械振动、电磁振动同时存 在，而且还包括流固耦合和机电耦合振动，甚至流体机械电磁耦合， 三者之间相互影响，构成一个复杂的大型振动系统。其振动形式又可分为：受 迫振动和自激振动；确定性振动和随机振动；线性振动和非线性振动。完整 的研究应含有流体机械电磁三者耦合的关系。由于水轮机系统非常 复杂，迄今为止，这方面工程上可用于计算的数学模型的理论结果还没见到。 因此，一般来说还只是将流机电三者分开考虑。随着科技和制造技术的进步， 主要由电磁和机械所引发的振动在很大程度上已经得到解决。而来自流体的 6 第一章绪论 振动最为复杂d s 3 9 1 ，轴向水推力与水力不平衡力都是电站运行中的重要荷载 【4 们 4 h ，尾水脉动更被认为是机组稳定性的主要影响因素，关于尾水涡带的起 源和频率估计以及消除措施虽已有大量的试验和理论分析，但至今尚缺乏统 一而完善的成果【4 2 4 4 1 。对于与水流有关的水轮机的稳定性问题，国内外采用 的研究手段大致相同，主要有： ( 1 ) 水轮机内部三维粘性流动分析( c f d ) 国内外的许多学者和工程师为实现完善的c f d ( 计算流体动力学) 分析技 术，做了许多优化设计理论的研究工作，希望能在真机投产之前提供机组的 性能预测【4 5 1 。由于工程问题的复杂性和理论的不完善使得这一问题还在热烈 探讨之中。水轮机水力性能数值分析大体经过三个阶段川：一元理论和二 元理论的设计阶段。其结果往往机组效率低、稳定性差和研究周期长，并且 需要做大量的外特性试验工作，对所设计许多方案进行筛选，例如为研制葛 洲坝机组，曾经对转轮作了几十个方案。基于三元或准三元e u l e r 方程分 析设计阶段。曾经较准确预测了压力分布，无粘二次流和除粘性损失外的损 失值等，九十年代以前在设计中广泛使用。基于全三维粘性流的n a v i e r s t o k e s 方程的分析设计阶段。对流动特性、叶片表面的压力以及转轮水头损 失的计算与试验结果吻合得较好。 目前采用流体计算软件可以对蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水 管水流情况( 流场、压力场、速度矢量等) 进行分析，对水轮机各部件进行 优化，并计算数值效率，预估水轮机的特性曲线，其绝对精度为2 一3 。 水轮机的水力稳定性取决于叶片的冀型设计和运行条件。就目前来看数 值流动计算结果只对稳态流动较为可靠，只能显示稳态流动中会不会出现涡 带但不能给出是否稳定的结论，难以预测涡流的稳定问题。非稳态流动进 行的紊态流动分析有时能给出涡流的运动情况。但是，这种分析给出的计算 结果，只有在符合给定的假设和边界条件下才有效，因此，它不一定反映真 实情况。并且大部分不稳定流动计算是针对模型机的数值模拟，针对原型机 组的数值模拟却很少，主要有两方面原因：一方面，模型机的试验和资料一 般比原型机全面，可以在需要的地方布置测点，由于原型机受条件的限制， 测量数据往往有限：另一方面，原型机一般尺寸很大，计算中对计算机资源 的要求更高，尤其在网格密度等方面受到限制，因此，比模型机的模拟困难。 7 第一章绪论 ( 2 ) 模型试验 尽管水轮机内部流动的数值模拟技术取得了巨大进展。但由于流动复杂 性，纯理论计算的结果，其可靠性和准确性还不能满足工程需求。特别是稳 定性问题，数值模拟技术应该被看作是刚刚开始，需要试验来弥补理论的不 足。而且每次理论上的突破，也需要试验验证。 不同试验台的模型试验表明，对于混流式水轮机的振动与稳定性试验， 当试验水头较低时，不同的试验台测得的振动与稳定性指标是有所不同的， 特别是幅值特性，其原因是试验台系统特性造成的，因此，根据试验数据整 理分析得出，一般情况下的振动与稳定性试验的试验水头应大于2 5 米。随着 稳定性问题的日益突出，近年来，模型的稳定性试验受到特别的关注，并且 也获得了一些有意义的研究成果。如压力脉动是模型空化系数的函数；泄水 锥的形状对尾水管压力脉动有较明显的影响等。 水轮机模型试验的理论基础是水力相似准则。由流体力学的相似理论。 可以导出模型和真机之间相似的三个条件：几何相似：过流部件绕流表面 的所有线性尺寸成比例，且具有相同的相对粗糙度；运动相似：水流相应 质点的速度三角形相似；动力相似： 就要求模型与真机之间压力、粘性力、 水流相应质点上作用的力成比例，这 重力、惯性力等的相似表征数相等。 但是，要同时满足所有的力相似是不可能的，有时甚至是相互矛盾的。 模型试验只能满足起主导作用的力相似。且由于模型试验台为封闭系统，而 电站为开敞系统，加上相似准则和轴系的动态响应不一致等复杂因素，模型 和真机之间很难实现动态模拟。i e c 标准就压力脉动值由模型换算至真机时 专门说明：由于部分系统的相互影响或模型与真机之间流动特性的不同，直 接将模型压力脉动试验的幅值和频率换算到真机存在非常大的偏差。因此， 现代水轮机模型的压力脉动试验，更大的意义是对模型水轮机之间的各项性 能进行比较。试图通过模型试验来直接预测真机的压力脉动幅值和频率，在 目前来看，技术上还是不成熟的【4 6 】。 ( 3 ) 真机试验 由于对水轮机脉动规律尚不十分清楚，模型和真机的某些脉动关系也不 能完全模拟，因此在真机上仍然时常出现稳定性问题，真机试验是对稳定性 性能进行准确判断的最终标准。就国外来看，美国、加拿大、日本、挪威等 8 第一章绪论 水电建设较发达的国家对混流式机组真机的制造精度、机组和支承结构的动 力响应等都有较深入的研究 4 7 - 5 4 l 。日本的y o h u r a 等人【5 2 】在关西电力公司奥 积野抽水蓄能电站观测到振动与压力脉动，并且发现了在蜗壳中激发的旋转 径向多结点模式压力脉动以及蜗壳周围混凝土结构对该模式的响应。日本的 青柳茶等p 7 1 归纳总结了随着水电站的高水头、大容量化，在机组稳定运行时 圆筒型机墩及厂房楼板梁振动问题的研究成果。 水轮发电机组的现场测试可以准确反映真机的压力脉动与频率状况，但 原型观测受限制条件较多，费用高。需要与电厂、电网协调，只能根据现场 状况进行测试，不能像模型试验那样全面测试各种水头各种负荷工况下的机 组运行情况，也不能对所有重要运行参数都进行测量，流场内各点的压力流 速等的测量必须用光学与声学特殊仪器，这在原型上极难实现。并且目前我 国对机组振动的大量研究和测试工作都主要由电力和水力机械工作者们组织 进行。试验时基本不对厂房结构进行测量，因此缺乏可以用来研究厂房与机 组之间耦联关系的关键性资料。并且其中相当一部分机组稳定性现场试验测 试往往还是直到出现比较严重的问题时才开始进行，有预期的试验研究工作 开展得相对较少。 1 2 3 振动响应计算 振动响应由结构特性与外部激励振源所决定，结构特性多可由电站的具 体结构型式和材料属性确定，但由于振源情况的研究不成熟，响应计算的动 荷载一般按照规范来选取。水电站厂房设计规范s l 2 6 6 2 0 0 1 所规定的机 组正常运行时的动力作用有【5 5 】：垂向动荷载：发电机转子连轴重、励磁机 转子重、水轮机转轮连轴重及轴向水推力；水平动荷载：由机组转动部分 质量中心和机组中心偏心距e 引其的离心力；正常运行时的扭矩。可以看出 规范规定的荷载作用较少，尾水涡带及不平衡磁拉力等主要荷载可能由于其 作用难以确定等因素没有作出明确规定，很明显，规范所规定的荷载不是实 际情况的准确反映。所以按照规范进行的响应计算与现场实际情况存在一定 的差别。如前所述，水电站厂房振动问题的荷载很复杂，很多荷载虽然已知 作用原因，但其具体作用量仍难以通过正分析得出，因此可以考虑通过反馈 分析来从响应确定荷载情况。 9 第一章绪论 由上面的叙述可知，目前对厂房结构、机组振动问题的研究还存在很多 不足，其主要集中在荷载和原型观测方面。此外，当水电站采用双排布置时， 上游排机组尾水管直锥管段有很大加深【5 6 1 ，下游排机组引水管道由于要绕过 上游机组，再加上双层尾水管相互出流的影响等因素，将致使流道系统内的 水体自振特性，尾水管的压力脉动等都与常规机组有所差别，所以双排机组 联合运行时，机组的运行特性、厂房结构的振动特性都将有别于常规布置的 机组。在此方面的研究还很缺乏。 1 3 动态信号分析识别技术 在水电站厂房振动分析中，建立可靠的分析模型和较为准确的数值计算 方法大致包括确定结构材料参数、边界条件和动荷载、以及动荷载的传递和 作用方式等内容。但是，这些决定结构数值计算准确与否的变量和特性，有 时很难通过理论分析得到。所以说利用原型观测成果对水电站厂房进行系统 识别和反分析，探讨合理的系统模型和各种作用荷载及响应的相关情况，对 实现厂房结构系统整体、细致的研究和分析，提高厂房设计水平，减振降噪， 预测和控制有害振动都具有非常重要的现实意义。 1 3 1 傅立叶变换 围绕着动态信号分析技术，前人做了卓有成效的工作。自从1 8 8 2 年傅 里叶发表“热传导解析理论”以来，f o u r i e r 变换的频谱分析方法是一直是信 号处理领域中应用最广泛、最重要的一种分析手段【5 7 1 。f o u r i e r 变换的基本思 想是将信号分解成一系列不同频率的连续正弦波的叠加5 引，或者从另一个角 度讲把信号从时间域转换到频率域。1 9 6 5 年，c o o l e y 和t u k e y 提出了f f t 算法，使f o u r i e r 变换在实际工程领域的应用得到了质的飞跃。其它如二次频 谱分析和细化f f t 分析的出现，也使谱分析的技术水平和实际应用范围都有 了很大的发展。但是f o u r i e r 变换只适合分析平稳信号，而不适合分析非平稳 信号。并且，其所反映的是整个信号全部时间域下的整体频率特征，无任何 时域分辨能力。 为了弥补傅立叶分析在处理非平稳信号的不足，人们发展了傅立叶分析 i o 第一章绪论 并提出了许多新的分析方法和理论，1 9 4 6 年g a b o r 提出了著名的g a b o r 变换， 之后进一步发展，1 9 6 4 年以后出现了短时f o u r i e r 变换( s t f t ：s h o r tt i m e f 6 u d e rt r a n f o r m ) 也叫加密傅立叶分析，基本思想是用一个窗函数把分析时 间局部化，其在一定程度上解决了f o u r i e r 变换不能在局部时间范围内进行频 域分析的难题p 9 1 。但由于s t f t 的定义决定了其窗函数的大小和形状均与时 间和频率分析无关，这对于分析时变信号来说是不利的。高频信号一般持续 时间较短，而低频信号一般持续时间较长，因此，我们期望对于高频信号采 用小时窗，对于低频信号采用大时窗进行分析，显然，同s t f t 的固定时窗 特性相矛盾。这表明s t f t 处理这一类问题也是有局限性的。其实，这些恰 恰是其后出现的小波理论的特长所在。 1 3 2 小波分析 小波分析是时频分析发展的新理论，它被视为傅里叶变换发展史上的里 程碑。顾名思义，“小波”就是小的波形。所谓“小”是指局部非零，波形 具有衰减性；“波”则是指它具有波动性，包含有频率特性5 7 1 。形象的说， 小波变换的习的就是既要看到森林( 信号的全貌) ，又要看到树木( 信号的 细节) 。小波分析的思想来源于伸缩和平移方法，这可追述到1 9 1 0 年h a a r 提出的规范正交系【6 0 1 ，它在时域中实现了完全的局部化，而在频域中局部化 性能不好。1 9 8 1 年s t r o m b e 龟对h a a r 基进行改进，证明小波函数的存在性。 1 9 8 4 年，j m o r l e t 在分析地震数据的局部性时引进了小波概念【6 。之后， a g r o s s m a n 对m o f l e t 的伸缩、平移小波概念的可行性进行了研究，开创了小 波分析的先河。1 9 8 6 年，m e y e r 创造性地构造出二进伸缩、平移小波基函数， 掀起了小波研究热潮。不久，l e m a r i e 和b a t t l e 又分别独立地给出了具有指 数衰减的小波函数。1 9 8 7 年，m a l l a t 巧妙地将尺度的思想引入小波分析6 2 】， 统一了前人所提出各类正交小波构造，给出了把信号及图像按不同频带的分 解的算法及其重构算法，即m a l l a t 塔形算法。该算法正交，高效。它在小波 变换中的地位，如同f f t 在傅里叶变换中的地位，奠定了小波变换的工程实 用基础。1 9 8 8 年，d a u b e e h i e s 构造了具有紧支集的正交小波基【6 3 1 。这样，小 波分析的系统理论得到了建立。1 9 9 0 年，崔锦泰、王建中构造了基于样条函 数的正交小波函数m 】。1 9 9 1 年，c o i n f m a n 、w i k e r h a u s e r 及其合作者提出小 第一章绪论 波包概念及算法，其思想与我国古代易经八卦一致，采用树形算法。是m a l l a t 塔式算法的推广，并引进s h a n n o n 熵作为评价小波基选取的好坏。1 9 9 4 年， m a l l a t 和d a p e n g c h e n 分别提出时频原子的概念，给出了匹配追踪算法。它 把任意信号分解为一个波形的线性展开，此波形为了最好地匹配信号的结构 而选自子函数字典库，实现了信号的自适应时频分布。1 9 9 7 年，i c o h e n 等 人又提出时不变小波包。伴随着小波理论的发展和完善，小波的应用也越来 越广泛。 近年来有学者将小波变换引入到工程振动信号分析中。d a v i d e n e w l a n d 阐述了正交小波的理论及其在振动信号分析中的应用【6 5 1 ，构造了一种新的小 波：谐波小波，以实际的例子说明了如何利用小波谱对振动信号进行分析及 其优点，简单地讨论了不同小波的表现形式及其算法，说明了小波在振动检 测、瞬态信号分析和降噪方面的应用。在国内，近年来小波分析理论及其在 振动分析中的应用也逐渐发展起来。文 6 6 6 7 1 1 6 8 对共轭滤波器与小波的构 造、多分辨分析等理论进行介绍，从应用的角度阐述了小波分析理论。文 6 9 7 0 7 1 采用了小波包分解和信号重构的方法，从旋转机械的测量信号中 提出所需要的频带信息，结合设备的故障特征进行分析诊断。文【7 2 】利用了 m a l l a t 建立的数学模型，通过求解过零表示及模极大值对旋转机械的故障进 行诊断。另外，文 7 3 】( 7 4 】针对旋转机械的轴心轨迹所包含的丰富信息，通过 小波变换来提纯轴心轨迹，剔除干扰，提取故障特征。文 7 5 1 的研究针对广 西岩滩水力机组的振动，从工程角度具体介绍了小波分析在此领域内的应用。 1 4 本文的研究内容 基于以上所述的研究现状可以看出，国内外对于水电站振动问题的研究 已取得了一些成果，但由于体系动力性态的复杂性、耦联关系和随机特征等 因素，在振源分析、振动响应预测、双排机电站厂房结构动力特性及机组联 合运行特性等方面仍缺乏足够的认识。鉴于此，本文依据李家峡双排机水电 站等一系列大型水电站的原型观测数据，结合正反两方面分析，对水电站振 动问题开展研究。具体内容如下： ( 1 ) 如前所述，水电站厂房振动问题复杂，其中的一个主要因素就是 1 2 第一章绪论 作用在结构上的动荷载种类繁多，其中部分荷载产生机理至今未研究清楚， 导致荷载的幅值大小及变化规律难以确定，并且由于水力机械电磁 结构的耦联关系，作用机制也很复杂。然而合理的考虑动荷载特性是分 析厂房结构振动的关键。所以在第二章本文首先结合具体工程实测数据及文 献资料对此基本问题进行研究，系统论述机械、电磁、水力各种荷载的产生 原因，对主要荷载与结构的作用进行探究，因为水力方面的振源最为主要