三峽水庫(kù)水電站主廠房振動(dòng)分析與共振復(fù)核

三峽水庫(kù)水電站主廠房振動(dòng)分析與共振復(fù)核

三峽水庫(kù)水庫(kù)位于水庫(kù)后，共有26臺(tái)水輪發(fā)電站，分為左、右兩個(gè)車間，其中左車間14家，右車間12家。在右山背后，有六個(gè)地下造船廠的位置，并在下面進(jìn)行擴(kuò)建。發(fā)電廠的設(shè)計(jì)流量為80.6m，最大流量為113m，最小流量為63m。主車間最大高度為94.3m，每臺(tái)機(jī)的部件長(zhǎng)度為38.3m，水下寬度為68m，水下寬度為39m。三峽機(jī)組是世界最大的水電機(jī)組之一,機(jī)組外形尺寸大,結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)降低,各種因素誘發(fā)的振動(dòng)能量巨大,巨型機(jī)組的振動(dòng)穩(wěn)定性是工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行的重要保證.三峽機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn),如電站建設(shè)初期和后期運(yùn)行水頭變幅大;在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰,負(fù)荷變化大;河流的泥沙含量高,對(duì)水輪機(jī)的磨損問(wèn)題突出等,導(dǎo)致運(yùn)行條件復(fù)雜,對(duì)其調(diào)節(jié)性能要求更高.總之,二述不利因素決定了三峽左岸電站機(jī)組和建筑物的抗振性能降低.特別是根據(jù)三峽水輪機(jī)模型試驗(yàn)的驗(yàn)收結(jié)論,認(rèn)為穩(wěn)定性指標(biāo)尚不能達(dá)到合同規(guī)定的保證值。投入運(yùn)行后,在電站水頭變化和負(fù)荷調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)是否能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行,備受各方關(guān)注.水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題非常復(fù)雜,雖經(jīng)過(guò)大量的長(zhǎng)期的研究,其準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和完善解決還很困難水電站廠房是機(jī)組的支承結(jié)構(gòu)和工作空間,機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的激振力作用于廠房結(jié)構(gòu),可能會(huì)引起廠房結(jié)構(gòu)的整體或局部振動(dòng),此現(xiàn)象早已為國(guó)內(nèi)外工程界所重視,但研究工作相對(duì)于機(jī)組振動(dòng)方面嚴(yán)重不足.國(guó)內(nèi)外大中型水電站均有機(jī)組振動(dòng)誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng),甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破損而影響電站正常運(yùn)行的實(shí)例.因此,若機(jī)組存在難于完全避免的不利振動(dòng),應(yīng)研究機(jī)組振動(dòng)對(duì)廠房的作用機(jī)理和效應(yīng),評(píng)價(jià)振動(dòng)強(qiáng)度及其影響,進(jìn)而研究消振減振措施或改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的途徑.因此,本文試圖通過(guò)理論和數(shù)值方法,分析和預(yù)測(cè)機(jī)組誘發(fā)的廠房振動(dòng),為設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論依據(jù).1機(jī)的動(dòng)脈壓載荷特性1.1試驗(yàn)結(jié)果與分析成果兩個(gè)制造廠家集團(tuán),均對(duì)水輪機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的模型試驗(yàn)研究,提出了試驗(yàn)成果.關(guān)于壓力脈動(dòng)問(wèn)題,根據(jù)試驗(yàn)資料分析認(rèn)為,尾水管的壓力脈動(dòng)相對(duì)于蝸殼和頂蓋下區(qū)域的壓力脈動(dòng),對(duì)結(jié)構(gòu)的作用相對(duì)較小,研究中應(yīng)以水輪機(jī)室和蝸殼內(nèi)部壓力脈動(dòng)作為重點(diǎn),尤其是導(dǎo)葉后和轉(zhuǎn)輪前區(qū)域的壓力渦動(dòng)帶,是影響廠房振動(dòng)安全性的決定振源.壓力脈動(dòng)主要發(fā)生于導(dǎo)水葉后和轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口前區(qū)域,稱之為“特殊壓力脈動(dòng)區(qū)”,有時(shí)也稱為“葉道渦”,部分測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力幅值如圖1所示,可以看出,壓力脈動(dòng)幅值多數(shù)情況大于8%的標(biāo)書(shū)規(guī)定.其頻率特征歸納后,可以用圖形形象地表示出壓力脈動(dòng)的頻率成分分布,圖2即為部分試驗(yàn)工況的分析成果.(1)ALSTOM/KE的結(jié)論為,高頻壓力脈動(dòng)主頻率,集中在19Hz左右,且在全部的試驗(yàn)水頭范圍均有出現(xiàn).而從試驗(yàn)流量上分析,主要集中在大流量工況(>800m3/s).(2)VGS的結(jié)論為,高頻壓力脈動(dòng)主頻率集中在16Hz左右,且在全部的試驗(yàn)水頭范圍均有出現(xiàn),但主要分布在中高水頭區(qū)間(90m以上).而由試驗(yàn)分析,主要集中在中、大流量運(yùn)行工況(>400m3/s).(3)圖2的模型試驗(yàn)結(jié)果,脈動(dòng)頻率是以與轉(zhuǎn)速頻率的相對(duì)值表示的,其中模型的轉(zhuǎn)速頻率大約為18.7Hz.從圖上可以看出,高頻壓力脈動(dòng)的頻率集中在30Hz左右甚至更高,而且在水輪機(jī)蝸殼、水輪機(jī)室和尾水管中均有反映.(4)根據(jù)整體試驗(yàn)成果歸納認(rèn)為,除低頻運(yùn)行區(qū)外(尾水管低頻渦帶頻率和轉(zhuǎn)速頻率),高頻壓力脈動(dòng)的頻率范圍為18～54.7Hz(ALSTOM/KE)和16～89.3Hz(VGS).對(duì)于模型與原型的相似關(guān)系,假設(shè)原、模型的脈動(dòng)頻率相同.1.2系統(tǒng)模型測(cè)試結(jié)果根據(jù)所提供的試驗(yàn)資料,總結(jié)壓力脈動(dòng)較大的峰值區(qū),導(dǎo)葉后和轉(zhuǎn)輪前的脈動(dòng)壓力幅值可以達(dá)到11%H,尾水管最大可達(dá)到13%H,在4%～8%H范圍的工況點(diǎn)較集中.對(duì)于出現(xiàn)在導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前區(qū)域的特殊壓力脈動(dòng),根據(jù)對(duì)巖灘、牛路嶺、陳村等電站的模型和原型測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析說(shuō)明,模型和原型的脈動(dòng)頻率基本相近.實(shí)際上,此種類型的流場(chǎng)渦動(dòng)壓力脈動(dòng)頻率,主要與轉(zhuǎn)速、導(dǎo)水葉數(shù)和葉片數(shù)等參數(shù)有關(guān),因此,原型和模型的頻率相近也是容易理解的.根據(jù)若干電站的試驗(yàn)成果,原型與模型壓力脈動(dòng)幅值之比約為1～2.5,一般原型脈動(dòng)壓力測(cè)量值高于模型試驗(yàn)的.這里可以進(jìn)行敏感性分析,即首先假設(shè)原型與模型之比為1.0,根據(jù)線性關(guān)系,進(jìn)而推求1.0～2.5之間不同放大倍數(shù)下的振動(dòng)反應(yīng).1.3流道時(shí)程曲線經(jīng)過(guò)論證分析,取6種工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù).6種工況下水輪機(jī)頂蓋、蝸殼和尾水管處共6個(gè)測(cè)點(diǎn)的隨機(jī)脈動(dòng)水壓力測(cè)量時(shí)程曲線,記錄總時(shí)間長(zhǎng)度為1s,時(shí)間間隔為0.000976562500s,采樣頻率為1024Hz,各時(shí)程曲線對(duì)應(yīng)主頻率如表1所示.由于測(cè)點(diǎn)較少,在一段流道內(nèi)僅有1～2個(gè)測(cè)點(diǎn),無(wú)法準(zhǔn)確描述脈動(dòng)壓力的空間分布,必須加以處理.進(jìn)行時(shí)間歷程分析計(jì)算時(shí),整個(gè)蝸殼流道均按蝸殼進(jìn)口測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線值施加;同理,整個(gè)頂蓋、錐管上游側(cè)、錐管下游側(cè)、肘管內(nèi)側(cè)及肘管外側(cè)均按其單個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線值施加,尾水管擴(kuò)散段按照肘管外側(cè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線值施加.假設(shè)流道各結(jié)點(diǎn)的相位相同,即均與測(cè)點(diǎn)值相同.2振動(dòng)特性分析采用有限單元法建立廠房整體結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,包括一定范圍的巖石地基,模型結(jié)點(diǎn)總數(shù)為16197.由于廠房水上與水下結(jié)構(gòu)的形式和剛度相差較大,必須采用3種不同的模型(整體,水下,發(fā)電機(jī)層樓板局部)以分別反映整體(主要是上部結(jié)構(gòu))、水下結(jié)構(gòu)和樓板薄弱構(gòu)件的振動(dòng)特性.自振頻率計(jì)算結(jié)果為,整體結(jié)構(gòu)振型主要為上部框架的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng),頻率較低且十分密集,前10階頻率為0.79～4.72Hz;廠房水下結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大,主要表現(xiàn)為上下游實(shí)體墻、風(fēng)罩、尾水平臺(tái)和機(jī)墩的振動(dòng),前10階頻率為3.36～10.63Hz;樓板與風(fēng)罩局部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)表現(xiàn)出板梁柱結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特征,而樓板各象限的基本振動(dòng)頻率為26.58～31.26Hz.根據(jù)機(jī)組可能振源的頻率特性進(jìn)行共振復(fù)核,依據(jù)20%～30%的錯(cuò)開(kāi)度評(píng)價(jià),則主要的共振區(qū)為樓板自振頻率與導(dǎo)葉數(shù)頻率(Hz(活動(dòng)導(dǎo)葉)或28.75Hz(固定導(dǎo)葉)),以及特殊壓力脈動(dòng)區(qū)頻率(30Hz左右)的遇合和接近.由于壓力脈動(dòng)頻帶很寬(16～89.3Hz),試圖通過(guò)改變樓板結(jié)構(gòu)頻率而避開(kāi)共振區(qū)十分困難,應(yīng)通過(guò)振動(dòng)反應(yīng)計(jì)算,評(píng)價(jià)和控制振動(dòng)強(qiáng)度.3機(jī)墩振幅計(jì)算結(jié)果計(jì)算機(jī)組振動(dòng)載荷作用下機(jī)墩的振幅和動(dòng)應(yīng)力,分別采用擬靜力法和動(dòng)力法.擬靜力法即是按照廠房設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,將振動(dòng)載荷乘以1.5的動(dòng)力系數(shù)后按靜力計(jì)算;動(dòng)力法將振動(dòng)荷載作為簡(jiǎn)諧激勵(lì),計(jì)算其時(shí)程反應(yīng),或按諧振動(dòng)分析方法,確定某一激勵(lì)頻率下的振幅.動(dòng)力法中,振動(dòng)頻率分別假設(shè)如下:方案一的振動(dòng)力頻率均為轉(zhuǎn)速頻率;方案二中水平、垂直和切向力的頻率分別為轉(zhuǎn)速頻率、水力沖擊力頻率(390Hz)和電磁頻率(50Hz).機(jī)墩振幅計(jì)算結(jié)果列于表2.根據(jù)現(xiàn)行水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范,機(jī)墩振幅的控制標(biāo)準(zhǔn)為:垂直振幅長(zhǎng)期組合不大于0.1mm,短期組合不大于0.15mm;水平橫向與扭轉(zhuǎn)振幅之和長(zhǎng)期組合不大于0.15mm,短期組合不大于0.2mm.擬靜力法計(jì)算所得機(jī)墩振幅均超出規(guī)范限值,主要是振動(dòng)載荷偏大,尤其是軸向水推力和短路扭矩較大.動(dòng)力法的計(jì)算結(jié)果小于擬靜力法的,說(shuō)明動(dòng)力系數(shù)取1.5偏于安全.方案II的結(jié)果小于方案Ⅰ的,主要是高頻的反應(yīng)一般小于低頻的.動(dòng)力法的結(jié)果部分超標(biāo),但整體評(píng)價(jià),較大振幅也有變形集中的傾向,且有限元法和動(dòng)力法均不是規(guī)范所規(guī)定的,局部振幅超出規(guī)范幅度有限時(shí),可以認(rèn)為滿足要求,并應(yīng)以結(jié)構(gòu)力學(xué)法的計(jì)算為最終評(píng)價(jià)依據(jù).應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明,擬靜力法和動(dòng)力法計(jì)算所得動(dòng)應(yīng)力值,最大分別為0.5MPa和2.06MPa,事故工況應(yīng)力突出,是正常運(yùn)行工況的近一倍.但整體應(yīng)力幅值不大,說(shuō)明三峽廠房矮機(jī)墩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較大,可以滿足設(shè)計(jì)要求.4工廠的振動(dòng)分析分別采用諧響應(yīng)和時(shí)間歷程法計(jì)算廠房在水輪機(jī)脈動(dòng)壓力作用下的振動(dòng)響應(yīng).4.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)假設(shè)脈動(dòng)壓力在水輪機(jī)流道內(nèi)是均勻分布和同相位的簡(jiǎn)諧荷載,壓力脈動(dòng)幅值為10%H,H=110m.特殊壓力脈動(dòng)帶頻率集中在30Hz左右,故取計(jì)算頻率范圍為16～36Hz.樓板4個(gè)象限的振動(dòng)反應(yīng)如圖3所示.從圖3可以看出:當(dāng)脈動(dòng)壓力頻率在28～29Hz之間時(shí),發(fā)電機(jī)層樓板Ⅰ象限響應(yīng)值最大;Ⅱ象限和Ⅲ象限最大響應(yīng)發(fā)生在脈動(dòng)壓力頻率為29Hz左右;Ⅳ象限樓板最大響應(yīng)值在脈動(dòng)壓力頻率為27Hz附近.這一結(jié)論基本與自振頻率的計(jì)算結(jié)果相符合,說(shuō)明上述頻率為共振點(diǎn).以頻率為30Hz的周期性脈動(dòng)壓力作為激勵(lì)振源,作用在蝸殼和尾水管的內(nèi)壁面上,壓力脈動(dòng)的幅值近似取為10m水頭.樓板的位移和加速度反應(yīng)表明,振動(dòng)以豎向?yàn)橹?最大位移為0.13mm,最大加速度達(dá)到4.5m/s2,相當(dāng)于0.46g,遠(yuǎn)超過(guò)建筑結(jié)構(gòu)的允許值.振動(dòng)加速度的均方根值可達(dá)到3.1m/s2,相當(dāng)于0.316g.因此,計(jì)算結(jié)果充分說(shuō)明,在共振區(qū)間,結(jié)構(gòu)具有較大的反應(yīng).但是,雖然振動(dòng)的加速度較大,結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力并不十分突出,最大幅值約為0.6MPa,從結(jié)構(gòu)動(dòng)力強(qiáng)度的角度考慮,并沒(méi)有突然破壞的威脅,更應(yīng)關(guān)注的是長(zhǎng)期往復(fù)交變應(yīng)力作用下的疲勞破壞.分析振動(dòng)加速度沿高程的分布(圖4),可以看出,蝸殼和尾水管內(nèi)部的脈動(dòng)壓力,在蝸殼層可以產(chǎn)生較大的加速度反應(yīng);但由于機(jī)墩結(jié)構(gòu)剛度較大,振動(dòng)頻率與自振頻率相距較遠(yuǎn),動(dòng)力放大系數(shù)較小,加速度反應(yīng)有降低的趨勢(shì);而實(shí)體墻部分在水輪機(jī)層和發(fā)電機(jī)層以上的整體剛度降低,振動(dòng)的放大效應(yīng)顯著,類似于高聳結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力反應(yīng).將6種典型試驗(yàn)工況試驗(yàn)所測(cè)脈動(dòng)壓力直接換算為原型脈動(dòng)壓力歷程曲線,作為激勵(lì)輸入,得到廠房各部位的振動(dòng)反應(yīng).計(jì)算結(jié)果的主要結(jié)論歸納如下.(1)工況1～6的脈動(dòng)壓力主頻率為16.6～22.3Hz,與發(fā)電機(jī)層樓板豎向、上下游墻、機(jī)墩等構(gòu)件的固有振動(dòng)頻率尚有一定的錯(cuò)開(kāi)度,所以沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)反應(yīng).6個(gè)工況的振動(dòng)反應(yīng),均小于諧響應(yīng)分析中脈動(dòng)壓力頻率取30Hz時(shí)的峰值,說(shuō)明共振的動(dòng)力放大效應(yīng)十分突出,共振必然成為研究的重點(diǎn).(2)發(fā)電機(jī)層樓板:各工況各方向的最大位移值發(fā)生在第Ⅲ、Ⅳ象限.豎向最大位移為0.031mm,小于各規(guī)范規(guī)定的建筑物結(jié)構(gòu)振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn),但大于儀器設(shè)備豎向振動(dòng)允許值(<0.01mm);水平向最大位移為0.063mm,也小于有關(guān)規(guī)范規(guī)定的建筑物結(jié)構(gòu)振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn),而大于儀器設(shè)備振動(dòng)允許值.豎向最大均方根加速度值發(fā)生在第Ⅲ、Ⅳ象限之間,最大值為0.322m/s2,大于人體8h時(shí)連續(xù)工作情況下的振動(dòng)允許值,而小于4h連續(xù)工作情況下的允許值;水平向最大均方根加速度值發(fā)生第Ⅰ或第Ⅲ象限,最大為0.132m/s2,小于人體連續(xù)工作8h情況下的允許值.豎向最大均方根速度值發(fā)生在第Ⅲ、Ⅳ象限之間,最大值為1.411mm/s,小于各規(guī)范規(guī)定的建筑物結(jié)構(gòu)振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn)和操作人員健康控制標(biāo)準(zhǔn),但大于儀器設(shè)備豎向振動(dòng)允許值;水平向最大均方根速度值發(fā)生第Ⅲ、Ⅳ象限,最大為1.275mm/s,小于各規(guī)范規(guī)定的建筑物結(jié)構(gòu)振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn)和操作人員健康控制標(biāo)準(zhǔn),也小于儀器設(shè)備振動(dòng)允許值.(3)上、下游墻:各工況各方向最大位移值發(fā)生在墻體頂部或兩層吊車之間墻體部分.上游墻豎向?yàn)?.024mm,水平向?yàn)?.155mm;下游墻豎向?yàn)?.040mm,水平向?yàn)?.157mm.各方向最大均方根加速度值基本發(fā)生在墻體根部.上游墻豎向?yàn)?.055m/s2,水平向?yàn)?.157m/s2;下游墻豎向?yàn)?.107m/s2,水平向?yàn)?.180m/s2.各方向最大均方根速度值基本出現(xiàn)在墻體頂部.上游墻豎向?yàn)?.559mm/s,水平向?yàn)?.039mm/s,下游墻豎向?yàn)?.820mm/s,水平向?yàn)?.975mm/s.均小于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的建筑物結(jié)構(gòu)振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn).(4)定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)截面各工況豎向最大位移值發(fā)生在下游側(cè)下機(jī)架基礎(chǔ)截面,最大為0.039mm,各工況水平向最大位移值發(fā)生在上游側(cè)或下游側(cè)定子基礎(chǔ)截面,最大為0.052mm,均小于大型機(jī)械基礎(chǔ)頂面振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn).豎向最大均方根加速度值發(fā)生在下機(jī)架基礎(chǔ)截面下游側(cè),最大為0.639m/s2,各工況水平向最大均方根加速度值發(fā)生在右側(cè)定子基礎(chǔ)截面,最大為0.309m/s2,均小于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的建筑物結(jié)構(gòu)振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn).各工況豎向最大均方根速度值發(fā)生在下機(jī)架基礎(chǔ)截面下游側(cè),最大為2.386mm/s,各工況水平向最大均方根加速度值發(fā)生在定子基礎(chǔ)截面下游側(cè),最大為1.235mm/s,均小于大型機(jī)械基礎(chǔ)頂面振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn).(5)在脈動(dòng)水壓力的作用下,各方向位移沿高程的傳遞規(guī)律基本表現(xiàn)為底部(蝸殼、機(jī)墩)較小,頂部較大,即隨著高程的增加,位移值表現(xiàn)為增大的趨勢(shì);同樣,各方向的均方根速度也表現(xiàn)為隨著高程的增加而增大的趨勢(shì);順河向和豎向加速度沿高程的分布則基本表現(xiàn)為在底部較大,隨著高程的增加而減小,但接近頂部時(shí)又增加的趨勢(shì);而橫河向加速度隨高程的增加基本保持不變.(6)廠房上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力均較小,最大僅為0.084MPa.說(shuō)明振動(dòng)應(yīng)力不是控制參量,而更多的應(yīng)關(guān)注振動(dòng)的位移、速度或加速度.綜上所述,各典型部位各方向的位移、加速度和速度值以及應(yīng)力值基本上能夠滿足相關(guān)規(guī)范的要求,只是發(fā)電機(jī)層樓板的最大位移和最大均方根速度大于儀器設(shè)備振動(dòng)允許值,豎向最大均方根加速度值大于人體連續(xù)工作8h情況下的允許值而小于人體連續(xù)工作4h情況下的允許值.但是,由于水電站主廠房中的機(jī)電設(shè)備和儀器一般不屬于精密儀器和設(shè)備,沒(méi)有特別高的控制標(biāo)準(zhǔn).而且工作人員在主廠房?jī)?nèi)連續(xù)工作的時(shí)間一般不長(zhǎng),因此可以認(rèn)為,在6個(gè)典型計(jì)算工況的脈動(dòng)壓力作用下,主廠房的振動(dòng)較小,可以滿足設(shè)計(jì)要求.5模型試驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)三峽