（水利水电工程专业论文）大型水电站机组及厂房振动测试分析.pdf

摘要 水电站结构振动问题已成为电站运行和设计中存在的一个关键问题，往往由 于振动问题而限制机组运行，影响电站在系统中发挥效益，长期振动还会导致结 构或机组部件的疲劳破坏，影响机组的安全运行。 水电站厂房振动所具有的种种危害，使得其振动问题越来越为人们所重视。 而要想真正把握水电站厂房的振动特性，并解决其振动问题，最好的方法是进行 现场实测，再反馈分析厂房结构的振动特性，厂房振动与运行工况之间的关系等， 同时，也可通过大量的现场实测资料，归纳总结出水电站厂房振动的共性，为解 决水电站厂房振动问题提供实测资料和科学依据，对于电站优化运行、减少机组 事故、提高维修效率有重要价值。本文结合三峡、李家峡水电站现场振动试验， 具体研究内容如下： ( 1 ) 基于三峡电站机组的变转速试验、变负荷试验、水流脉动试验和特殊工 况运行试验的现场测试结果，对机组和厂房结构的实测数据进行时域分析、幅域 分析和频谱分析，以及振源分析、相关分析和能量分析等。 ( 2 ) 建立三峡水电站厂房结构三维有限元( a n s y s ) 模型，对厂房结构进行了 自振特性计算和共振校核。 ( 3 ) 基于机组和厂房振动分析的结果，结合水轮机模型运转特性曲线并考虑 机组安全运行规范要求，提出了机组安全运行区划分的指标并对高水头机组运行 进行了振动区预测。 ( 4 ) 利用小波对李家峡水电站机组开停机的非平稳过程进行了振源分析。 关键词：水电站，振动，三维有限元，振源，相关，小波 a b s t r a c t t h es t r u c t u r a lv i b r a t i o np r o b l e mo fh y d r o p o w e rs t a t i o nh a sb e c o m eak e y p r o b l e mi nt h ed e s i g na n do p e r a t i o no fap o w e rs t a t i o n d u et ot h ev i b r a t i o n , t h e b e n e f i to fp o w e rs t a t i o ns y s t e mi sa f f e c t e d l o n g - t e r mv i b r a t i o nm a yc a u s ef a t i g u e d a m a g eo f t h es 仇l c t u r ea n di n s e c u r i t yi nt h eo p e r a t i o no f u n i t s t h es t r u c t u r a lv i b r a t i o np r o b l e mo fh y d r o p o w e rs t a t i o nh a sb e e ng i v e na c o m m o ne m p h a s i sm o r ea n dm o r eb e c o u r s eo f t h eg i a n tv a r i o u sd a n g e r t om a s t e rt h e v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fh y d r o p o w e rs t a t i o ns t r u c t u r ew e l la n dr e s o l v et h ev i b r a t i o n p r o b l e m ，t h eb e s tm e t h o di st h ef i e l dt e s t t h e ns t a r taf e e d b a c ka n a l y s i st ot h e e x p e r i m e n t a ld a t a , s e e k i n ga f t e rt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev i b r a t i o na n do p e r a t i o n c o n d i t i o n ，a n ds oo n a tt h es a l n et i m e ，a c c o r d i n gt om u c hf i e l de x p e r i m e n t a ld a t aa n d c o n c l u d et h ec h a r a c t e r i s t i co fp o w e r h o u s ev i b r a t i o n s o ，i tw i l lb em u c hv a l u a b l et o o p t i m i z a t i o no p e r a t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o n , d e c r e a s et h ea c c i d e n ta n di m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fu n i t ss e r v i c i n g l i n ku pt h ef i e l de x p e r i m e n t so ft h r e eg o r g e sa n d l i j i a x i ah y d r o p o w e rs t a t i o n , t h i sp a p e r sp r i m a r ys t u d i e ss u c ha s ： ( 1 ) t h et i m e d o m a i na n a l y s i s ，a m p l i t u d e d o m a i na n a l y s i s ，f r e q u e n c y - s p e c t r u m a n a l y s i s ，v i b r a t i o ns o u r c ea n a l y s i s ，c o r r e l a t i o na n a l y s i sa n de n e r g ya n a l y s i so nt h e m e a s u r e dd a t ao fu n i t sa n dp o w e r h o u s es t r u c t u r ea r em a d eb a s e do nt h er e s u l to ft h e f i e l dt e s to fv a r i a b l es p e e d , v a r i a b l el o a d , f l o wf l u c t u a t i o na n ds p e c i a lc o n d i t i o n o p e r a t i o nt ot h eh y d r o g e n e r a t o ru n i to f t h r e eg o r g e s ( 2 ) g e tt h ec h a r a c t e r i s t i co fs n l l c t u r e sn a t u r a lv i b r a t i o na n dc h e c kt h er e s o n a n c e v i b r a t i o no fs t r u c t u r ea c c o r d i n gt oc a l c u l a t i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t m o d e lo f t h r e eg o r g e s ( 3 ) b a s eo nt h ea n a l y t i cr e s u l to f v i b r a t i o no f t h eu n i t sa n ds 仇l c t u r e ，l i n k 印t h e a n a l y s i sr e s u l to fe x p e r i m e n t a ld a t a , a n dc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fw a t e rt u r b i n em o d e l ， r e f e rt or e q u e s to fu n i t s n m n i n gs a f e l y ，c o m p a r t m e n t a l i z et h ef u n c t i o nc o u r s e r e a s o n a b l ya n df o r e c a s tt h ev i b r a t i o nr e g i o n s ( 4 ) a p p l yw a v e l e tt ot h ea n a l y s i so fv i b r a t i o ns o u r c e si nt h eu n s t e a d yp r o c e s s s i g n a l so f s t a r t i n gu pa n ds h u t t i n gd o w ni nl i j i a x i ah y d r o p o w e rs t a t i o n k e yw o r d s ：h y d r o e p o w e rs t a t i o n ，v i b r a t i o n ，t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t ， v i b r a t i o ns o u r c e ，c o r r e l a t i o n ，w a v e l e t 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，也不包含为获得鑫鲞态鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 之j 碑 签字日期：；耐 年月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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) 学位论文作者签名 i i i 字i ! i i i ：枷辱f 导师签名： 够轧 签字日期：如p g 年，月f o 日 干产 可 月 第一掌缝论 1 1 阏题的提出 第一章绪论 我网幅员辽阔，江河纵横，湖泊棋布，水熊蕴藏量极为丰富。企国水能总蕴 藏量淹6 8 亿k w ，辑会筝笈奄量5 9 万亿k w h ；技术毒开发黪藤装梳容量兔3 。8 亿k w ，年发电量为1 9 万亿k w h ，均占澄券蓠位班】。楚实魏嚣聚经济的飞速发 展，电力建设必须先行。根据国外经验，除在煤炭资源丰富的地区娥设火电站外， 尤其要熏视水电事业的发展。而且，随着经济岛社会的高速发展，能源需求急剧 增长，环境保护意识日益增强，可持续发展的观念深入人心。水力发电作为一种 霉粪垒豹瀵涪戆源更热褥翻霾稷耪嚣发，承奄瓤缀戆装辍容量秘等| 羯零头大睡提 高。我阑的水电建设方兴来艾，三峡、龙滩、小湾等一大批巨型和大型电站正在 和将要建设。 水轮发电机组是由流动水体驱动的旋转机械，是由水轮机和发魄机组成的复 杂豹毫氇藏大系统；旋转系统遵过辘承辊架锈簸混凝结梅支承，缀缀振魂必然诱 发作必其支承结构静厂房的振动，两厂房结擒滋式又十分复杂；流体和电磁是永 体势能转化为电能的作动媒体，流场和电场的复杂性不言自明；流体和固体的耦 联振动不可回避因此，水轮发电机组和厂魔的振动是最为复杂的动力学问题 之一1 2 j 。 农壤筵厂房箨为将瘩簸转换秀龟戆煞鬟终场掰，是瑰霞承稳携缀瓣一令 鬻 重要的组成部分。国内外融投入运行的诲多嘏站，都曾发生过不嗣程度的枫组振 动现象。据日本电气学会对1 9 2 5 年以来投入运行的立式机组进行的调查，约有 1 0 的机组出现过异常振动现象。在我国已建的各水电站中，有不少水电站厂房 都存程缀动闰题，知五强溪、汪垭、岩滩、黼潺岩、天荒坪、獭予潍、渔子溪、 富誊淡，黄坛蜀，上獍渣、红石、密云、弼家姨及葛溯顼等永龟懿都曾发生过较 为明照的振动现象。水电站厂房的振动往往和定的运行区域密切相关，为了避 开振动区域，水电站在运行过程中往往因为振动问题而需要限制机级的运行。机 组被遗变赫运幸亍，不仅损失发电量，机组调节熊力也大为降低，遮重影响了水 第一章绪论 电站的正常运行和效益的发挥，也使操作人员紧张不安。不仅如此，水电站厂房 的长期过大振动，会使结构产生疲劳，这是造成水电站厂房周边裂缝的主要根源。 更有甚者，水电站厂房振动还可能诱发厂房与其相邻建筑物的联合振动，危及整 个水利枢纽的安全。 水电站厂房振动所具有的种种危害，使得其振动问题越来越为人们所重视。 随着我国水电事业的不断发展，电站单机容量和厂房尺寸不断增大，水电站厂房 振动问题也日益突出，同时也对水电站厂房的抗振设计提出了更高的要求，而设 计阶段的振动预测控制难度极高，运行机组的振动消减极富挑战，振动机理解明 和振动故障治理一直是国内外研究的热点和难点。为此，结合我国水电建设的生 产实践，开展水电站厂房振动和抗振方面的科学研究工作，具有非常重要的意义。 本文正是在这样的背景下，结合三峡、李家峡水电站工程实际，对大型水电 站机组及厂房振动问题进行测试分析。 1 2 研究的目的和意义 三峡水利枢纽位于长江西陵峡中段，坝址在湖北宜昌三斗坪( 距下游的葛洲 坝水利枢纽3 8 k m ) 。大坝为混凝土重力坝，坝顶总长3 0 3 5 m ，坝顶高程1 8 5 m ， 正常蓄水位1 7 5 m ，总库容3 9 3 亿m 3 ，其中防洪库容2 2 1 5 亿m 3 ，水库全长6 0 0 余k m ，水库面积约1 0 8 4 k m2 。三峡工程是中国、也是世界上最大的水利枢纽工 程。工程具有防洪、发电、航运、供水等巨大综合利用效益。 以往，在三峡工程设计阶段，许多单位已对三峡电站厂房与机组振动问题进 行过研究，对有关问题已得出一些结论和看法。对设计工作具有一定参考作用。 但是以前的研究工作，由于工程尚没建成，研究方法、条件( 如力学模型、边界 条件、荷载特性及大小等) 等都作了某些假定，另外结构施工、机组制造与安装、 机组运行条件等方面许多因素都无法预先准确了解。2 0 0 3 年三峡工程第一台机 组正式投入运行，在此电站初期运行阶段对厂房振动的原型观测资料进行分析， 反馈分析厂房结构振动特性，厂房振动与运行工况之间的关系，为解决电站厂房 振动问题提供实测资料和科学依据，对于电站优化运行、减少机组事故、提高维 修效率有重要价值。为此，天津大学水利系于2 0 0 4 年8 月7 日至8 月2 0 日对三 峡水电站的左岸厂房8 号机组及厂房结构进行了现场振动测试。 2 第一章绪论 1 3 国内外的研究状况及发展趋势 机组在运行过程中可能会发生振动，从而诱发厂房振动，这在许多大中型水 电站运行实践中已屡见不鲜；随着机组容量的增大，振动能量相应增大，振动和 稳定性问题更为突出；水电站厂房是机组的支承结构和工作空间，机组运行产生 的激振力作用于厂房结构，可能会引起厂房结构的整体或局部振动，此现象早已 为国内外工程界所重视，但研究工作相对于机组振动方面严重不足。三峡水电站 是世界最大的水利水电工程，机组单机容量、尺寸及重量巨大，厂房的结构尺寸 也十分巨大。鉴于三峡水电站厂房的重要性和动力问题的复杂性，厂房的结构刚 强度和抗震稳定性一直是设计和研究的关键课题。 归纳起来，研究水电站厂房振动的方法主要有理论计算、数值计算、模型试 验和现场测试四种。 ( 1 ) 理论计算 理论计算主要是在相应假定的基础上，对水电站厂房结构进行简化，并应用 结构动力学的方法进行计算。天津大学水利系自5 0 年代末以来，结合工程实例， 先后对溢流式、挑流式、坝后式、引水式及河床式等型式的水电站厂房的振动问 题作了较为系统的研究工作，得出了一些有规律性的结论，王日宣教授和舒扬柴 教授编著的水电站厂房动力分析1 5 】一书对此做了较系统，也较全面的介绍。 水电站厂房水上部分基本上是两面开口的盒式板壳，水下部分为一个大的混 凝土块体，中间有蜗壳、尾水管、水轮机等流道结构。在对水上部分进行理论分 析时，常常将水上部分简化为平面刚架来处理，并假设厂房水下部分的大体积混 凝土部不会在干扰力的作用发生振动，把水上部分看作是刚接在水下部分刚度较 大的混凝土上，然后将由梁、柱组成的刚架体系按平面问题来处理，并对均质梁 按无限自由度进行分析计算。对这种刚架的振动进行计算的方法主要有两种：倾 角变位法和角变位移法，这两种方法的基本概念是一样的，不同点是前者仅考虑 结点的水平位移及转角，而后者同时考虑结点的水平位移、竖向位移和转角。 对水电站厂房机墩自振频率的计算通常简化为单自由度体系的振动，并假 定：机墩本身的重量，用一个作用在机墩顶部的集中质量来代替，使在此集 中质量作用下的单自由度体系的振动频率与原来多自由度体系的最小频率接近。 第一章绪论 其中最小频率是实际需要的频率：机墩的振动作为单自由度体系振动计算， 在计算动力系数和自振频率中假定无阻尼作用；机墩的振动为弹性范围内的 微幅振动，力和变位之间服从线性关系，即虎克定律；结构在振动时的弹性 曲线与静质量荷载的作用下的弹性曲线形式相似，且用“动静法”处理动力计算问 题。对水下部分的机墩和蜗壳结构，多采取沿围周切取单位宽度的方法，进行结 构动力计算。 河床式水电站厂房在外在干扰力作用下，以发电机层为界的水上部分和水下 部分都将发生振动，在进行动力分析时，单考虑某一部分已不符合要求。此时将 水下部分的钢筋混凝土块体和水上部分的刚架结构分别简化为两个不同的分体 系，以此作为并联体系结构来进行动力分析，并假定两个分体系在振动过程中都 以剪切变形为主，并联体系与基础为刚性连接，且忽略库水的影响。 水电站厂房振动是“水一机械一电一结构”四位一体的耦联振动，理论计算 在一些假定的基础上，只取其中某一结构，又进行平面处理，所得结果必定难以 完全反映实际情况。但理论计算在一定程度上还是能够把握住水电站厂房的动力 特性的，是一种经济而又相对有效的动力分析方法，因而在六十年代至七十年代 国内科技界与生产部门使用较普遍，这也促进了水电站厂房振动研究的发展。 ( 2 ) 数值计算 用数值计算的方法研究结构振动问题，就是寻求数值方法解算结构的特征值 问题和瞬态场问题，具体来说就是求解结构的自振频率和振型以及结构在动力荷 载作用下的动态反应，并以此进行动力分析。在过去的一个世纪，许多科学家和 工程技术人员致力于发展数值解法，取得了丰硕的成果，发展了很多有效的数值 计算方法，这大大促进了结构振动问题，特别是复杂结构振动问题的研究。这中 间，最近几十年发展起来的一种数值方法有限元法，取得了巨大的成功。有 限元法的基本原理是首先把一个连续体划分为有限个单元，这些单元仅在结点处 连接，组成单元的集合体，以此来代替原来的结构，然后对各单元选择一个场变 量模型来近似的表达每个单元上真实的场变量分布情况，并以结点值来表达，最 后根据给定的问题与应当满足的微分方程及边界条件来进行求解。 将有限元数值计算方法与高速计算机相结合，对水电站厂房进行动力计算分 析，是水电站厂房振动研究的一个新的罩程碑。我国在这方面走在i j 面的是天津 4 第一章绪论 大学和大连理工大学。大避瑷工大学的董毓新教授和马震岳教授通过模型试验和 有限元模拟计算的方法，对多个水电站厂房的掀动特性进行了对比研究，得出了 一些有规律性的结论；天津大学水利系的王翻嶷教授和李振富教授结合工程实 戥，鲻露羧元模羧嚣雾翁方法，对瘩毫建厂痨续孝驽振动霹嚣终了较为深入缀致豹 研究，取得了大量的戒采，同时将研究成果应梢予生产实践，取得了较好的效益。 邋几年，随着高速、大释量计算机的出现和有限元技术的不断发展，出现了 一些蹴效的、智能化的大型通用有限元计算软件，借助这些有限元计算软件，可 以在计舞掇上快速、壹理、宠便缝建立冬秘密隈惩诗算模型著透霸麓螽处理及分 褥。遮藏使对复杂的承电站厂房振动蠲题辛# 较为深入细致静诗雾掰究戒隽可能。 凭论是理论计算还是数假计算，要准确给如水电站厂房计算模缀的边界条件 都十分阙难。另外，振源分析是水电站厂房振动分析的重要部分，不避行振源分 析就无法进行共振校核和动力响应计算，这就徽溪确定振源的作餍频搴、作用部 谴、嚣麓方式秘大夺。8 0 冬我寒赣，大连毽王大学豹董簸瑟教授l 搬l 慰雩| 起本毫 站厂房振动的各种振源的机理进行了较为系统的分析和阐述，势给如了相应的计 算公式和取值范围。水电站厂房的振动，除建于地震区要承受地震衙裁而引起的 振动外，引起振动的原因主辫有水力、机械和电气等三个方面。引趣振动的原因 非常复杂，影响因素缀多，鸯些振源黪掇理至今浅不够瀵楚，荚频豢只缝送行定 瞧分帮芊竣摄据经验公式髂髯取毽，其有初步传诗的性质。再有就楚诈耀在承迫菇 厂房结构上的各种动荷载，鼹很多复杂因素影响，而且个体差异性明显，大小很 难确定。这一切给有效计算和分析水电站厂房的振动带来了巨大的困难，在缺少 足够的蜜测资料的情况下，只能对水电站厂房振动进行初略的分柝鞠计算。 ) 挺羹试验 邋年来，随着试验材料、测试仪器和测试技术的不断进步，傻襁多非常复杂 的水工结构也可以通过模型试验来研究其振动了。8 0 年代，大连理工大学【5 1 先后 对刘家峡、龙羊峡、安康三庶水电站厂房结构的鼠振特性进行了模测试验，通过 对三秘苓藏模毅范围戆结稳模型斡试验硬究，势毒冬试验结栗与有隈元计算结果遴 幸亍霹魄分瓶，取得了毙较满意的结采。天津大学承稠系近年通过对器耱复杂水工 结构振幼问题的研究，提出了一整套预测和模拟结构振动的技术路线和方法，包 括水力举和结构动力学相结合的水弹性模型模拟原理和手段，水弹性试验中不相 第一章绪论 似因素的修正，流激振动响应的正分析和反馈分析方法及抗振标准等。特别是在 以特制加重橡胶模拟混凝土建立水弹性模型来研究水工结构的振动方面取得了 很大的成功。这让人看到了通过模型试验来深入、系统的研究水电站厂房振动问 题的光明前景。但对大规模耦联系统的整体模拟，实际上还存在模拟方法、材料 特性和测试手段等一系列困难。毋庸质疑，把模型试验和有限元模拟计算两种方 法相结合，通过对比分析验证来研究水电站厂房振动问题将成为一个非常重要而 又有效的手段。 ( 舢现场测试 由于水电站厂房振动非常复杂，振动特性个体差异性明显，很多振源的作用 机理还不是十分清楚，很难对其完全模拟，无论是计算，还是模型试验，都不 可能考虑到所有的影响因素，只能针对不同的研究内容，着重其主要方面。要想 真正把握水电站厂房的振动特性，并解决其振动问题，最好的方法是进行现场实 测。同时，也可通过大量的现场实测资料，归纳总结出水电站厂房振动的共性， 也只有这样才能找出模型试验和数值计算与实际的水电站厂房之间的联系i 并验 证之。但迄今有关水电站厂房振动的实测资料非常缺乏，这严重阻碍了水电站厂 房振动问题的研究。再者，现场测试也有其局限性和不利的一面。因为水电站厂 房结构非常复杂，现场测试时不可能布置太多的测点，这就可能使得测试结果不 能完全反映实际情况，而且，现场测试时机组根据测试需要调整运行，甚至停机， 造成经济损失。 上述四种研究水电站厂房振动的方法各有其优点，也有不足之处。四种方法 的有机结合是研究水电站厂房振动问题最有效的途径。随着计算机硬件和软件的 不断发展，有限元数值模拟计算将因其简单、直观、高效、经济而得到广泛的应 用。 1 4 水轮发电机组的振动 水电站厂房振动主要是由机组运行产生的激振力作用于厂房机构所引起 的，所以减少水轮发电机组的振动便能够直接影响厂房结构的振动。水轮发电机 组振动的主要振源在于水力、机械和电气等多方面因素交织在一起的复杂不稳定 状念，必须在出现振动现象时进行全面调查，应用各种故障诊断方法加以判断和 6 第一章绪论 分析，准确确定振源，从而采取相应措施。水电机组的振动机理十分复杂，作动 介质包括流体、电磁场、油膜或密封液体膜以及固体结构，机组系统是耦合的庞 大体系。各种干扰力对水轮机的作用是使水轮机产生振动的主要原因。干扰力除 地震外主要来源于水流、机械、电磁。因此，按振动原因分类，水轮机的振动可 分为： 1 ) 水力振动：水力振动是水电站厂房振动的最主要因素。引起水力振动的 原因有：水力不平衡，如导叶和转轮叶片数目不等，转轮止漏环重量分布不均 或流道内有异物等；转轮进口的压力脉动，如导叶数与转轮叶片数配合不当或 转轮之间的距离过小等；水轮机转轮与顶盖之间的间隙较长；水泵水轮机由 于在引水管道中装有球阀，球阀密封操作系统损坏；水轮机发电机引水道系统 的水击振荡；尾水内的空腔气泡和涡带；卡门涡等。 2 ) 机械振动：机械振动主要是由于水轮机和发电机的结构不良或制造、安 装质量较差造成的。如轴线曲折、倾斜，推力轴承安装不良以及导轴承间隙过大 等。水轮机在空载低速下运行时，也常产生振动。机械振动与负荷的关系不大。 由发电机转子质量不平衡所引起的振动与负荷无关，但振动将随着转速的增加而 增加。当水轮机转动部分与固定部件相碰时，振动将变得强烈并伴有音响。 3 1 电磁振动：电磁振动主要是由于水轮发电机设计不合理或制造、安装质 量不良所产生的电磁力造成的。电磁振动按振动频率不同，电磁振动可分为转频 振动和极频振动。转频振动的振动频率等于转速频率和它的整数倍。产生转频振 动的原因有转子横截面非圆、转子几何中心与旋转中心不一致、轴弯曲、转子不 平衡以及转子产生匝间短路等。这些都会产生磁力不平衡。从而引起水轮机的振 动和摆动。产生极频振动的主要原因有：定子横截面非圆、合缝间隙过大、定子 铁芯装压不紧、负序电流引起的反转磁势以及并联支路内的环流产生的磁势等。 1 5 本文的研究内容 水电站厂房振动所具有的种种危害，使得其振动问题越来越为人们所重视。 而要想真正把握水电站厂房的振动特性，并解决其振动问题，最好的方法是进行 现场实测。同时，也可通过大量的现场实测资料，归纳总结出水电站厂房振动的 第一章绪论 共性。通过大量机组振动发生实例的分析和学习，以及各种解决振动措施的尝试 与实践，才有可能积累丰富的资料和经验，一方面为理论分析和数值模拟提供基 础，另一方面也为振动的诊断和治理提供强大的知识帮助。实践证明，从实际中 学习是最直接、最有效的途径。本文在前人工作的基础上，结合三峡、李家峡水 电站现场振动试验，对大型水电站厂房结构的振动问题进行了测试分析研究，主 要内容如下： ( 1 ) 水轮发电机组振动的原因分为电气、机械及水力脉动。电气及机械的缺 陷引起机组振动的机理是由于电气及机械所产生的激励力的频率与机组转动的 频率形成共振致使机组振动，而水力脉动所引起的振动是机组振动的主要原因。 基于三种识别振动原因的方法，即由振动试验识别振动原因，以振动频率分析振 动原因和由振动部位判别振动原因，对三峡作了变转速试验，变负荷试验，水流 脉动试验及开停机、甩负荷等非平稳过程试验的研究分析。 ( 2 ) 由于水电站厂房结构复杂，涉及水力、机械、电气三方面的激振源众多， 且有些振源机理至今尚不够清楚，而且很多振源引起的水屯站厂房各个部位的振 动是相互耦联的，因而水电站厂房的振动问题非常复杂。本文第四章建立三峡模 型进行有限元计算，得出厂房结构的自振频率和各阶振型，以此作厂房结构的共 振校核。并运用振动频率分析振动原因的基本理论，参照机组及厂房振源机理的 理论计算分析，大致推断影响机组和厂房结构振动的主要振源及其能量分布，并 重点研究顶盖和尾水管的时程线及频谱图，对机组的上下机架结构各向振动与厂 房的下机架基础和定子基础各向振动的相关关系具体分析厂房机组耦联作用 的机制。 ( 3 ) 本文第四章还运用相关函数对三峡实测信号进行相关分析，已便从信号 中发现和解决问题，寻求规律。并针对三峡初期水头和运行特点，在机组与厂房 结构测试和分析基础上，以尾水管迸人门处水压脉动和机组及结构各部位各向振 动为依据，并结合模型试验的运转特性曲线，参考机组安全运行规范要求，划分 机组的禁止运行区、限制运行区和稳定运行区，以及进行高水头下机组和厂房振 动区的预测。 ( 4 ) 运行经验表明，水电站水力机械部分的事故大多数是在非平稳过程中发 生的。此时，水轮机进入异常的飞逸和制动工况。这些工况下，系统中所产生的 第一章绪论 动负荷最大，伴随着水流的变化、机组运行的变化，水流的不稳定性增高，并出 现强烈的压力脉动、振动和水击现象，所表现的振动信号亦振源多样而复杂且互 相混合在一起，不便于识别分析。且非平稳工况占水电站的运行工况比例有增大 的趋势，所以，对水力机组非平稳过程的研究对保证设备运行的可靠性和降低它 们的投资均有十分重要的意义。本文第五章基于李家峡水电站双排机组振动的现 场试验研究，对非平稳信号进行小波及小波包分析，将其分解到不同频带内，获 取微弱信息和提取优势频率，并结合傅立叶交换，予以辨识分析，再对分解后所 得的各频段信号进行统计分析，从而得出不同频段上的能量分布。 ( 5 ) 本文第五章最后还探讨了小波基的选择问题及运用小波卓越的信号诊 断功能结合三峡实测信号进行分析。 第二章三峡试验简介和信号分析处理的基本理论 第二章三峡试验简介和信号分析处理的基本理论 2 1 三峡工程概况 三峡水利枢纽位于长江西陵峡中段，坝址在湖北宜昌三斗坪( 距下游的葛洲 坝水利枢纽3 8 k i n ) 。大坝为混凝土重力坝，坝顶总长3 0 3 5 m ，坝顶高程1 8 5 m ， 正常蓄水位1 7 5 m ，总库容3 9 3 亿m 3 ，其中防洪库容2 2 1 5 亿m 3 ，水库全长6 0 0 余k m ，水库面积约1 0 8 4 k m 2 。三峡工程是中国、也是世界上最大的水利枢纽工 程。工程具有防洪、发电、航运、供水等巨大综合利用效益。 三峡水电站采用坝后式布置方案，共设有左、右两组厂房。共安装2 6 台水 轮发电机组，其中左岸厂房1 4 台，右岸厂房1 2 台，机组单机额定容量为7 0 万 k w ，总装机容量1 8 2 0 万k w ，年发电8 4 7 亿k w h 。水电站以5 0 0 千伏交流输 电线向华中、华东、川东送电，以正负6 0 0 千伏直流输电线向华东送电。电站出 线共1 5 回。右岸留有为后期扩机的6 台( 总装机容量4 2 0 万k w ) 地下厂房位 置，其进水口与工程同步建成。电站单机单管引水，钢管直径1 2 4 m ，采用坝后 式背管形式。厂房按1 0 0 0 年一遇洪水设计，5 0 0 0 年一遇洪水校核。进厂公路、 尾水平台以及厂坝平台高程8 2 0 m ，发电机层高程7 5 3 m ，水轮机安装高程5 7 0 m 。 主厂房内设两层桥式吊车，分别设有1 2 0 0 t 大桥机和两台1 2 5 t 小桥机。主变压 器、g i s 开关站及电气设备布置在厂房上游侧，下游侧副厂房主要布置供水系统 和水处理室，气系统、油系统布置在安装间下层。 三峡左岸1 4 台7 0 万千瓦混流式水轮发电机组为国际公开招标采购方式，于 1 9 9 9 年9 月正式签订合同。其中水轮机8 台授予a l s t o m 公司，6 台授予v g s 联营体( 由德国v o i t h 、加拿大g e 和德国s i e m e n s 组成) ，合同规定两个集 团采用各自的水力设计，v g s 采用该联营体开发的水力模型，a l s t o m 则被要 求采用挪威k v a e r e n e r 能源公司开发的水力模型，这两个模型最大的共同点 是转轮均为x 型叶片，模型验收表明，两个用于三峡的水力模型基本上都能适 应三峡电站水头变幅大的特点；三峡水轮机额定出力7 1 0 m w 转轮直径达1 0 m ， 第二章三峡试验简介和信号分析处理的基本理论 是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水轮机。发电机8 台授予瑞士a b b 公 司，6 台授予v g s 联营体。 图2 1 1三蛱电站厂房横剖面图 2 1 1 机组主要参数 水轮机主要参数： 型式：立轴混流式 转轮名义直径：9 5 5 1 m m 额定水头：8 0 6 m 最小水头：6 1 m 最大连续运动出力：7 6 7 m w 机组设计流量：9 9 5 6 m 3 s 发电机主要参数： 型式：立轴半伞式 最大容量功率：8 4 q m v a 7 5 6 m w 额定电压：2 0 k v 额定及最大容量时功率因数：0 9 额定最大容量时效率：9 8 7 5 9 8 7 4 最大水头：1 1 3 m 额定转速：7 5 r r a i n 额定出力：7 1 0 m w 最大出力：8 5 2 m w 装机高程：5 7 m 额定容量功率：7 7 7 8 m v a 7 0 0 m w 额定电流：2 2 4 5 3 a 额定最大容量时短路比：1 2 1 1 旋转方向：俯视顺时针 第二章三峡试验简介和信号分析处理的基本理论 2 2 试验简介 以往，在三峡工程设计阶段，许多单位已对三峡电站厂房与机组振动问题进 行过研究，对有关问题已得出一些结论和看法。对设计工作具有一定参考作用。 但是以前的研究工作，由于工程尚没建成，研究方法、条件( 如力学模型、边界 条件、荷载特性及大小等) 等都作了某些假定，另外结构施工、机组制造与安装、 机组运行条件等方面许多因素都无法预先准确了解。2 0 0 3 年三峡工程第一台机 正式投入运行，在此电站初期运行阶段对厂房振动的原型观测资料进行分析，反 馈分析厂房结构振动特性，厂房振动与运行工况之间的关系，为解决电站厂房振 动问题提供实测资料和科学依据，对于电站优化运行、减少机组事故、提高效率 有重要价值。为此，天津大学水利系于2 0 0 4 年8 月7 日至8 月2 0 日对三峡水电 站的左岸厂房8 号机组及厂房结构进行了现场振动测试，具体包括变转速试验、 变负荷试验、水流脉动试验和特殊工况试验。 2 2 1 测点布置 测点布置原则：以最能够表征机组轴系统和定子系统的振动特性以及反映机 组和厂房结构耦联振动机制的显著区域作为选择布置测点的区域。 将测点按一定的规则进行编号，各传感器的位置如图2 2 1 所示： 上 图2 2 1 三峡水电站振动测试测点布置图 1 2 第二章三峡试验简介和信号分析处理的基本理论 现场采集系统接线编号与测点位置对应情况见表2 2 1 。 表2 2 1 测点位置与编号对应表 测点通道号测点名称测点通道号 测点名称 1 尾水管锥管进人孔水压脉动 1 2 厂房上游墙水平顺河向振动x 2 顶盖垂向振动z1 3楼板水平顺河向振动x 3 顶盖水平顺河向振动x 1 4 楼板垂向振动z 4 顶盖水平横河向振动y 1 5 风罩水平顺河向振动x 5 下机架垂向振动z1 6风罩垂向振动z 6 下机架水平顺河向振动x 1 7 定子基础水平顺河向振动x 7 下机架水平横河向振动y1 8定子基础水平横河向振动y 8上机架垂向振动z1 9定子基础垂向振动z 9 上机架水平顺河向振动x 2 0 下机架基础水平顺河向振动x 1 0 上机架水平横河向振动y 2 1 下机架基础水平横河向振动y 1 1 定子外壳径向振动r 2 2 下机架基层垂向振动z 注：x 一e 下游方向；y 一垂直上下游方向；z 一竖向。 2 2 2 测试工况 场测试试验工况与文件名及试验组号对应关系见表2 2 2 。 表2 2 2 试验名与试验测试工况对应表 工况号工况说明工况号 工况说明 从3 5 0 m w 甩负荷( 最大转速 1 水轮机转速为额定转速的3 5 ( 空载) 1 0 1 1 7 r r a i n ) 2 水轮机转速为额定转速的6 5 ( 空载) 1 1 负荷4 4 1 m w - - - 4 4 7 m w 3 水轮机转速为额定转速的1 0 0 ( 空载) 1 2 负荷5 4 1 m w 5 5 1 m w 4 空载 1 3 正常停机 5负荷0 7 6 m w , - 旬8 1 m w1 4负荷2 9 1 m w - 2 9 9 m w 6负荷5 0 m w 5 7 m w1 5负荷2 9 1 m w - 2 9 9 m w 7 负荷1 7 5 m w 1 7 8 m w 1 6负荷5 3 0 m w 8负荷2 4 8 m w - 2 5 4 m w1 7负荷4 9 7 m w - - - 4 9 9 m w 9 负荷3 4 1 m w 3 4 6 m w 1 8 甩负荷5 5 0 m w ( 最大转速1 3 6 r m i n ) 2 2 3 水轮发电机组的振动评价指标 按照2 0 0 2 年水轮发电机组启动试验规程对振动提出的标准，见下表： 表2 2 3 水轮发电机组各部位振动允许值( 双幅值) 额定转速( r r a i n ) 1 名称项目 1 0 0 1 0 0 2 5 02 5 肛3 7 53 7 5 刁5 0 振动允许值( m m ) 第二章三峡试验简介和信号分析处理的基本理论 续表2 2 3 顶盖水平振动0 0 90 0 70 0 50 0 3 水轮机 顶盖垂直振动0 1 l0 0 90 0 6o 0 3 推力轴承支架垂直振动o 0 80 0 7o 0 50 0 4 导轴承支架水平振动 0 1 l0 0 90 0 7o 0 5 发电机 定子铁芯部位机座水平振动0 0 4o 0 30 0 2o 0 2 定子铁心振动o 3 0o 0 3o 0 3o 0 3 2 3 水轮发电机组振动故障原因识别的基本方法 根据前面对水轮机发电机组振动原因的分析，结合不同振动故障所具有的特 征表现，通常有三种识别振动原因的方法，即由振动试验识别振动原因，以振动 频率分析振动原因和由振动部位判别振动原因。 ( 1 ) 由振动试验识别振动原因 若对机组进行下列试验，则可大致判断出是由哪些主要因素引起机组的振 动。 黼 转速试验 启动机组，分别在各种转速下( 一般在额定转速范围内均匀的取5 7 个测点) 测量机组典型部位( 如上导、上机架、主轴连接法兰、水导轴承等) 的振幅或频 率。 如机组在6 0 1 0 0 额定转速范围内运行时，振幅一直很大，改变转速对振 幅变化不敏感，而振动频率又与机组转动频率基本一致，对机组振动原因大都是 由于轴线曲折、轴承间隙未调好、导轴承不同心、主轴转动部件与固定部件有偏 磨等； 如振幅随机组转速增加而迅速增大( 一般振幅与转速的平方成正比) ，而振 动频率又与振动频率一致时，其振动原因一般多是由于转动部件的动( 静) 不平 衡所致。 如振幅随机组转速增加而增大，但变化速度一般，上机架处振动较为明显， 而振动频率又与发电机主频一致或成倍数，载上某一负荷后，振幅又逐渐随时间 增长而减小，则振动原因可能是发电机定子铁芯组合隙松动或定子铁芯松动所引 起。 1 4 第二章三峡试验简介和信号分析处理的基本理论 堕励磁试验 机组在额定转速下，投入励磁，改变励磁电流，观察各典型部位振动随励磁 电流的变化。若振幅随励磁电流增大而增大，则不平衡磁拉力是引起机组振动的 主要原因，需检查发电机定、转子空气隙是否均匀，磁极线圈有无发生砸问短路， 磁极背部与磁轭间是否出现气隙等。 碰负荷、调相或补气试验 改变机组负荷，测量各种负荷下机组各典型部位的振幅及导叶接力器行程， 绘制负荷与振幅或接力器行程与振幅的关系曲线： a = 厂( ) 或a = 厂( 工)( 2 3 - 1 ) 式中a 振幅，m m ； i 接力器行程，m m ； n 一发电机有用功率，k w 。 若振幅随机组负荷( 或接力器行程) 增减而增减，而机组在调相运行时振幅 又大幅度降低，且水轮机导轴承处的振幅变化又较其它部位更为明显时，则水力 不平衡是引起机组振动的主要原因。 如振动仅仅在某一负荷区域运行时较为强烈，而避开该区域时，振动又明显 减小，则尾水管中产生偏心涡带是引起机组振动的主要原因。 另外，若在机组振动较为强烈的运行区域做补气试验向尾水管补气、测 量水导轴承处或尾水管扩散段顶板处的振动，与不补气相同工况作比较，若补气 前后有明显差异，则说明机组振动原因也主要来自尾水管中的偏心涡带。 ( 2 ) 以振动频率分析振动原因 在机组典型部位安装有录波存贮功能的测振仪，将记录的振动信号作时域和 频率变换，进行频谱分析，以此来判断振动原因。 由上述机组及厂房振源机理的理论计算分析，我们便可大致推断振动原因。 ( 3 )由振动部位判别振动原因 在生产实践中，根据机组振动部位的不同，也可大致判别振动原因。 若在水导轴承处的振动比其它部位较为明显时，则可能使蜗壳、导叶及 转轮中的水力不平衡( 该水力不平衡主要来自于蜗壳、导叶中的不均匀流场和导 叶开口不均匀，转轮线型、间隙、开口不均匀) 所引起的机组振动。 第二章三峡试验简介和信号分析处理的基本理论 若上机架处振动较为明显时，则振动原因多来自于机组推力轴承( 仅仅 对悬挂式机组) 、上导轴承缺陷( 间隙摆度调整不合适) 或故障，或机组轴线有 曲折、机组中心发生变化，或发电机零部件有缺陷或故障。 若因转轮叶片出水边线型差异、叶片尾部形成卡门涡列、尾水管中产生 偏心涡带等引起的机组振动，则在压力钢管、尾水管顶板均可测得明显振动，涡 壳中会出现较大的水压波动。 以上三种方法中，由于“频率法”具有分析准确度高，易于实现在线分析和不 妨碍机组正常运行等特点而得到较为广泛的应用。但是在实际测量中，由于存在 各种因素的干扰，使测振仪所拾取的振动信号的信嗓比较低，所以，除了将监测 到的振动频率作为识别机组振动源的重要依据外，还要结合其余两种方法，综合 进行分析，方能准确捕捉到诱发机组振动的主要原因。 2 4 信号分析处理的基本理论 设备在运行过程中，和运行状态有关的各种物理量随时间的变化呈现一定的 规律。这些物理量包括振动、噪声、温度、压力等。用各种相应的传感器及测量 仪器测得它们随时间的变化就获得信号。信号中常常包含对机器状态识别与诊断 非常有用的各种信息，有效地分析、处理这些信息，建立它们和设备运行状