三峡水库水电站主厂房振动分析与共振复核

三峡水库水电站主厂房振动分析与共振复核

三峡水库水库位于水库后，共有26台水轮发电站，分为左、右两个车间，其中左车间14家，右车间12家。在右山背后，有六个地下造船厂的位置，并在下面进行扩建。发电厂的设计流量为80.6m，最大流量为113m，最小流量为63m。主车间最大高度为94.3m，每台机的部件长度为38.3m，水下宽度为68m，水下宽度为39m。三峡机组是世界最大的水电机组之一,机组外形尺寸大,结构刚度相对降低,各种因素诱发的振动能量巨大,巨型机组的振动稳定性是工程长期安全运行的重要保证.三峡机组的运行特点,如电站建设初期和后期运行水头变幅大;在系统中担任调峰,负荷变化大;河流的泥沙含量高,对水轮机的磨损问题突出等,导致运行条件复杂,对其调节性能要求更高.总之,二述不利因素决定了三峡左岸电站机组和建筑物的抗振性能降低.特别是根据三峡水轮机模型试验的验收结论,认为稳定性指标尚不能达到合同规定的保证值。投入运行后,在电站水头变化和负荷调节的范围内是否能够安全稳定运行,备受各方关注.水轮发电机组的振动问题非常复杂,虽经过大量的长期的研究,其准确预测和完善解决还很困难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.国内外大中型水电站均有机组振动诱发结构振动,甚至导致结构破损而影响电站正常运行的实例.因此,若机组存在难于完全避免的不利振动,应研究机组振动对厂房的作用机理和效应,评价振动强度及其影响,进而研究消振减振措施或改进结构设计的途径.因此,本文试图通过理论和数值方法,分析和预测机组诱发的厂房振动,为设计和运行提供理论依据.1机的动脉压载荷特性1.1试验结果与分析成果两个制造厂家集团,均对水轮机的稳定性进行了详细的模型试验研究,提出了试验成果.关于压力脉动问题,根据试验资料分析认为,尾水管的压力脉动相对于蜗壳和顶盖下区域的压力脉动,对结构的作用相对较小,研究中应以水轮机室和蜗壳内部压力脉动作为重点,尤其是导叶后和转轮前区域的压力涡动带,是影响厂房振动安全性的决定振源.压力脉动主要发生于导水叶后和转轮叶片进口前区域,称之为“特殊压力脉动区”,有时也称为“叶道涡”,部分测点脉动压力幅值如图1所示,可以看出,压力脉动幅值多数情况大于8%的标书规定.其频率特征归纳后,可以用图形形象地表示出压力脉动的频率成分分布,图2即为部分试验工况的分析成果.(1)ALSTOM/KE的结论为,高频压力脉动主频率,集中在19Hz左右,且在全部的试验水头范围均有出现.而从试验流量上分析,主要集中在大流量工况(>800m3/s).(2)VGS的结论为,高频压力脉动主频率集中在16Hz左右,且在全部的试验水头范围均有出现,但主要分布在中高水头区间(90m以上).而由试验分析,主要集中在中、大流量运行工况(>400m3/s).(3)图2的模型试验结果,脉动频率是以与转速频率的相对值表示的,其中模型的转速频率大约为18.7Hz.从图上可以看出,高频压力脉动的频率集中在30Hz左右甚至更高,而且在水轮机蜗壳、水轮机室和尾水管中均有反映.(4)根据整体试验成果归纳认为,除低频运行区外(尾水管低频涡带频率和转速频率),高频压力脉动的频率范围为18～54.7Hz(ALSTOM/KE)和16～89.3Hz(VGS).对于模型与原型的相似关系,假设原、模型的脉动频率相同.1.2系统模型测试结果根据所提供的试验资料,总结压力脉动较大的峰值区,导叶后和转轮前的脉动压力幅值可以达到11%H,尾水管最大可达到13%H,在4%～8%H范围的工况点较集中.对于出现在导叶后转轮前区域的特殊压力脉动,根据对岩滩、牛路岭、陈村等电站的模型和原型测试结果对比分析说明,模型和原型的脉动频率基本相近.实际上,此种类型的流场涡动压力脉动频率,主要与转速、导水叶数和叶片数等参数有关,因此,原型和模型的频率相近也是容易理解的.根据若干电站的试验成果,原型与模型压力脉动幅值之比约为1～2.5,一般原型脉动压力测量值高于模型试验的.这里可以进行敏感性分析,即首先假设原型与模型之比为1.0,根据线性关系,进而推求1.0～2.5之间不同放大倍数下的振动反应.1.3流道时程曲线经过论证分析,取6种工况的试验数据作为计算依据.6种工况下水轮机顶盖、蜗壳和尾水管处共6个测点的随机脉动水压力测量时程曲线,记录总时间长度为1s,时间间隔为0.000976562500s,采样频率为1024Hz,各时程曲线对应主频率如表1所示.由于测点较少,在一段流道内仅有1～2个测点,无法准确描述脉动压力的空间分布,必须加以处理.进行时间历程分析计算时,整个蜗壳流道均按蜗壳进口测点时程曲线值施加;同理,整个顶盖、锥管上游侧、锥管下游侧、肘管内侧及肘管外侧均按其单个测点的时程曲线值施加,尾水管扩散段按照肘管外侧测点的时程曲线值施加.假设流道各结点的相位相同,即均与测点值相同.2振动特性分析采用有限单元法建立厂房整体结构数值模型,包括一定范围的岩石地基,模型结点总数为16197.由于厂房水上与水下结构的形式和刚度相差较大,必须采用3种不同的模型(整体,水下,发电机层楼板局部)以分别反映整体(主要是上部结构)、水下结构和楼板薄弱构件的振动特性.自振频率计算结果为,整体结构振型主要为上部框架的弯曲和扭转振动,频率较低且十分密集,前10阶频率为0.79～4.72Hz;厂房水下结构刚度相对较大,主要表现为上下游实体墙、风罩、尾水平台和机墩的振动,前10阶频率为3.36～10.63Hz;楼板与风罩局部结构的振动表现出板梁柱结构的振动特征,而楼板各象限的基本振动频率为26.58～31.26Hz.根据机组可能振源的频率特性进行共振复核,依据20%～30%的错开度评价,则主要的共振区为楼板自振频率与导叶数频率(Hz(活动导叶)或28.75Hz(固定导叶)),以及特殊压力脉动区频率(30Hz左右)的遇合和接近.由于压力脉动频带很宽(16～89.3Hz),试图通过改变楼板结构频率而避开共振区十分困难,应通过振动反应计算,评价和控制振动强度.3机墩振幅计算结果计算机组振动载荷作用下机墩的振幅和动应力,分别采用拟静力法和动力法.拟静力法即是按照厂房设计规范规定,将振动载荷乘以1.5的动力系数后按静力计算;动力法将振动荷载作为简谐激励,计算其时程反应,或按谐振动分析方法,确定某一激励频率下的振幅.动力法中,振动频率分别假设如下:方案一的振动力频率均为转速频率;方案二中水平、垂直和切向力的频率分别为转速频率、水力冲击力频率(390Hz)和电磁频率(50Hz).机墩振幅计算结果列于表2.根据现行水电站厂房设计规范,机墩振幅的控制标准为:垂直振幅长期组合不大于0.1mm,短期组合不大于0.15mm;水平横向与扭转振幅之和长期组合不大于0.15mm,短期组合不大于0.2mm.拟静力法计算所得机墩振幅均超出规范限值,主要是振动载荷偏大,尤其是轴向水推力和短路扭矩较大.动力法的计算结果小于拟静力法的,说明动力系数取1.5偏于安全.方案II的结果小于方案Ⅰ的,主要是高频的反应一般小于低频的.动力法的结果部分超标,但整体评价,较大振幅也有变形集中的倾向,且有限元法和动力法均不是规范所规定的,局部振幅超出规范幅度有限时,可以认为满足要求,并应以结构力学法的计算为最终评价依据.应力计算结果表明,拟静力法和动力法计算所得动应力值,最大分别为0.5MPa和2.06MPa,事故工况应力突出,是正常运行工况的近一倍.但整体应力幅值不大,说明三峡厂房矮机墩结构的强度较大,可以满足设计要求.4工厂的振动分析分别采用谐响应和时间历程法计算厂房在水轮机脉动压力作用下的振动响应.4.1结构振动反应假设脉动压力在水轮机流道内是均匀分布和同相位的简谐荷载,压力脉动幅值为10%H,H=110m.特殊压力脉动带频率集中在30Hz左右,故取计算频率范围为16～36Hz.楼板4个象限的振动反应如图3所示.从图3可以看出:当脉动压力频率在28～29Hz之间时,发电机层楼板Ⅰ象限响应值最大;Ⅱ象限和Ⅲ象限最大响应发生在脉动压力频率为29Hz左右;Ⅳ象限楼板最大响应值在脉动压力频率为27Hz附近.这一结论基本与自振频率的计算结果相符合,说明上述频率为共振点.以频率为30Hz的周期性脉动压力作为激励振源,作用在蜗壳和尾水管的内壁面上,压力脉动的幅值近似取为10m水头.楼板的位移和加速度反应表明,振动以竖向为主,最大位移为0.13mm,最大加速度达到4.5m/s2,相当于0.46g,远超过建筑结构的允许值.振动加速度的均方根值可达到3.1m/s2,相当于0.316g.因此,计算结果充分说明,在共振区间,结构具有较大的反应.但是,虽然振动的加速度较大,结构的动应力并不十分突出,最大幅值约为0.6MPa,从结构动力强度的角度考虑,并没有突然破坏的威胁,更应关注的是长期往复交变应力作用下的疲劳破坏.分析振动加速度沿高程的分布(图4),可以看出,蜗壳和尾水管内部的脉动压力,在蜗壳层可以产生较大的加速度反应;但由于机墩结构刚度较大,振动频率与自振频率相距较远,动力放大系数较小,加速度反应有降低的趋势;而实体墙部分在水轮机层和发电机层以上的整体刚度降低,振动的放大效应显著,类似于高耸结构的地震动力反应.将6种典型试验工况试验所测脉动压力直接换算为原型脉动压力历程曲线,作为激励输入,得到厂房各部位的振动反应.计算结果的主要结论归纳如下.(1)工况1～6的脉动压力主频率为16.6～22.3Hz,与发电机层楼板竖向、上下游墙、机墩等构件的固有振动频率尚有一定的错开度,所以没有产生过大的振动反应.6个工况的振动反应,均小于谐响应分析中脉动压力频率取30Hz时的峰值,说明共振的动力放大效应十分突出,共振必然成为研究的重点.(2)发电机层楼板:各工况各方向的最大位移值发生在第Ⅲ、Ⅳ象限.竖向最大位移为0.031mm,小于各规范规定的建筑物结构振动允许标准,但大于仪器设备竖向振动允许值(<0.01mm);水平向最大位移为0.063mm,也小于有关规范规定的建筑物结构振动允许标准,而大于仪器设备振动允许值.竖向最大均方根加速度值发生在第Ⅲ、Ⅳ象限之间,最大值为0.322m/s2,大于人体8h时连续工作情况下的振动允许值,而小于4h连续工作情况下的允许值;水平向最大均方根加速度值发生第Ⅰ或第Ⅲ象限,最大为0.132m/s2,小于人体连续工作8h情况下的允许值.竖向最大均方根速度值发生在第Ⅲ、Ⅳ象限之间,最大值为1.411mm/s,小于各规范规定的建筑物结构振动允许标准和操作人员健康控制标准,但大于仪器设备竖向振动允许值;水平向最大均方根速度值发生第Ⅲ、Ⅳ象限,最大为1.275mm/s,小于各规范规定的建筑物结构振动允许标准和操作人员健康控制标准,也小于仪器设备振动允许值.(3)上、下游墙:各工况各方向最大位移值发生在墙体顶部或两层吊车之间墙体部分.上游墙竖向为0.024mm,水平向为0.155mm;下游墙竖向为0.040mm,水平向为0.157mm.各方向最大均方根加速度值基本发生在墙体根部.上游墙竖向为0.055m/s2,水平向为0.157m/s2;下游墙竖向为0.107m/s2,水平向为0.180m/s2.各方向最大均方根速度值基本出现在墙体顶部.上游墙竖向为0.559mm/s,水平向为3.039mm/s,下游墙竖向为0.820mm/s,水平向为2.975mm/s.均小于相关规范规定的建筑物结构振动允许标准.(4)定子基础和下机架基础截面各工况竖向最大位移值发生在下游侧下机架基础截面,最大为0.039mm,各工况水平向最大位移值发生在上游侧或下游侧定子基础截面,最大为0.052mm,均小于大型机械基础顶面振动允许标准.竖向最大均方根加速度值发生在下机架基础截面下游侧,最大为0.639m/s2,各工况水平向最大均方根加速度值发生在右侧定子基础截面,最大为0.309m/s2,均小于相关规范规定的建筑物结构振动允许标准.各工况竖向最大均方根速度值发生在下机架基础截面下游侧,最大为2.386mm/s,各工况水平向最大均方根加速度值发生在定子基础截面下游侧,最大为1.235mm/s,均小于大型机械基础顶面振动允许标准.(5)在脉动水压力的作用下,各方向位移沿高程的传递规律基本表现为底部(蜗壳、机墩)较小,顶部较大,即随着高程的增加,位移值表现为增大的趋势;同样,各方向的均方根速度也表现为随着高程的增加而增大的趋势;顺河向和竖向加速度沿高程的分布则基本表现为在底部较大,随着高程的增加而减小,但接近顶部时又增加的趋势;而横河向加速度随高程的增加基本保持不变.(6)厂房上部结构的动应力均较小,最大仅为0.084MPa.说明振动应力不是控制参量,而更多的应关注振动的位移、速度或加速度.综上所述,各典型部位各方向的位移、加速度和速度值以及应力值基本上能够满足相关规范的要求,只是发电机层楼板的最大位移和最大均方根速度大于仪器设备振动允许值,竖向最大均方根加速度值大于人体连续工作8h情况下的允许值而小于人体连续工作4h情况下的允许值.但是,由于水电站主厂房中的机电设备和仪器一般不属于精密仪器和设备,没有特别高的控制标准.而且工作人员在主厂房内连续工作的时间一般不长,因此可以认为,在6个典型计算工况的脉动压力作用下,主厂房的振动较小,可以满足设计要求.5模型试验结果分析总结三峡