某水电站内源振动引起厂房结构振动反应分析

高朦伟,方朝阳

(武汉大学水利水电学院,湖北武汉430072)

某水电站内源振动引起厂房结构振动反应分析

高朦伟,方朝阳

(武汉大学水利水电学院,湖北武汉430072)

水电站机组运行时产生的各种激振力诱发的振动能量很大,将会直接影响作为机组支撑体系的厂房结构,严重时会直接威胁到厂房结构安全。为此,基于线弹性动力有限元计算理论,利用有限元计算软件ANSYS建立某水电站地下厂房三维有限元模型,对其进行了动力计算,主要研究了内源振动对厂房结构的影响。研究结果表明,机组振动荷载对楼板、风罩机墩等部位作用较明显,该厂房整体结构能够满足水电站安全运行的要求。

地下厂房；内源振动；振动反应；有限元法

1 工程概况

某水电站装机容量为246 MW,水库总库容为1.326亿m3,水轮发电机组最大工作水头210 m,机组额定转速250 r/min,飞逸转速456 r/min。地下厂房由主机间、安装场和副厂房组成,呈“一”字形布置。水轮发电机组在运行过程中不可避免地会产生振动现象,但如果机组振动超过一定的范围,将会直接对机组的安全稳定运行造成不良影响。随着机组装机容量的增大,机组运行所产生的振动能量也随之加大,而厂房结构刚度相对较低。水电站厂房作为机组的支撑结构,受到机组运行时所产生的机械力、电磁力及水力等激励荷载的影响,可能会发生整体或局部振动现象。国内外已建的各水电站中,有许多水电站厂房结构都存在着振动问题[1-4]。因此,研究分析振动荷载诱发水电站厂房结构振动反应影响是十分必要的。

本文以某水电站地下厂房为例,计算并分析在不同工况下的机组振动荷载作用及流道脉动水压力作用下厂房结构的振动响应。

2 计算模型

有限元计算模型选取2号机组段,计算范围：长度方向取边墙与围岩结合面至机组间分缝处,上下游方向取上游边墙与围岩结合面至尾水管尾部混凝土处,高度方向取集水井底部至发电机层楼面。在计算范围内,对主厂房结构按照实际尺寸进行模拟,采用三维实体单元模拟混凝土结构,壳单元模拟钢蜗壳座环及尾水管钢衬,质量单元模拟主要机电设备及流道中的水,弹簧单元模拟围岩对混凝土结构的约束作用。边界条件为：尾水管底板及集水井底部与围岩之间均按刚性连接处理,其余与围岩接触部位采用弹性连接处理来模拟围岩作用。计算模型采用笛卡尔直角坐标系,X轴为水平左右方向,沿厂房纵轴指向左侧为正(面向下游)；Y轴为铅直方向,向上为正；Z轴为水平上下游方向,指向下游为正；坐标系原点选在机组安装高程处。

混凝土标号C25,弹性模量28GPa,泊松比0.167；围岩单位抗力系数为55 kPa/cm。厂房结构三维整体计算模型节点数120 239,单元总数135 021。厂房结构整体有限元计算模型网格如图1所示。

图1 厂房结构整体有限元模型网格

3 机组振动荷载作用下厂房结构振动反应

计算采用谐响应法,即认为各方向上机组振动荷载为同频率同相位的,能够同时达到最大值。机组动荷载施加方法为切向和竖向荷载均匀施加在每块基础板对应节点上,径向荷载只施加在靠近上游的基础板上,这是对结构振动较为不利的作用组合[5]。正常运行工况时荷载频率为机组额定转频4.17 Hz,飞逸工况时荷载频率为机组飞逸转频7.6 Hz。

现行水电站厂房设计规范中有关机墩振动最大振幅的控制标准为：标准组合时,垂直振幅不大于0.15 mm；水平横向与扭转振幅之和不大于0.20 mm[6]。厂房结构作为机组支撑体系的同时,又是电站工作人员的工作场所,需要保证人体工作环境具有一定的舒适度。现行厂房设计规范中并未针对人体健康方面明确提出振动控制标准,因此应根据国内外对建筑结构、人体健康等相关控制标准,提出适合水电站主厂房的振动控制标准。文献[7]中提出水电站主厂房振动控制标准建议值如表1所示。

表1 水电站主厂房振动控制标准建议值

不同工况厂房结构各典型部位最大动位移计算结果见表2、3。

表2 正常运行工况各部位最大振动反应值

表3 飞逸工况各部位最大振动反应值

由计算结果可知：①正常运行工况下,作为机组主要支撑体系的机墩部位振动反应较其他部位明显,其中以基础板位置附近最为突出。定子基础位置水平向最大动位移值为0.109 mm,最大均方根速度为2.019 mm/s,最大均方根加速度为0.053 m/s2,结构的位移满足规范要求,结构的速度和加速度也在控制标准允许值以内；竖向振动反应较水平向要低,同样满足控制标准要求。除此之外,下机架基础位置振动反应同样比较明显,水平向最大动位移值达到0.089 mm,最大均方根速度和加速度也分别达到了1.649 mm/s和0.043 m/s2。到了机墩底部截面位置各方向最大振动反应值进一步减小,均未超过控制标准允许值。发电机层楼板竖向最大动位移值较大,竖向最大动位移值为0.070 mm,发生在上游蝶阀吊物孔处；上下游向最大动位移值为0.071 mm,发生在楼板下游中部位置；左右向最大动位移值要比上下游方向小,值为0.011 mm,发生在楼板左侧中部位置。发电机层楼板最大均方根速度及加速度的出现位置与最大动位移出现位置相一致。发电机层楼板竖向振动反应要比水平其他两向较明显,但3个方向上的最大振动反应值均小于控制标准中的限值。②飞逸工况下各典型部位动位移、振动速度、振动加速度的分布规律与正常运行工况类似,各方向的最大振动反应值也都满足控制标准要求。③两种工况下,厂房整体结构动应力较小,正常运行工况最大动应力为1.022 MPa,飞逸工况下最大动应力为0.955 MPa,均发生在机组荷载直接作用的基础板位置附近。在机组振动荷载作用下,除机墩组合部位之外,厂房其他部位动应力水平不高,表明机组振动荷载主要影响部位集中在机组主要支撑结构上。

4 流道脉动水压力作用下厂房结构振动反应

由水轮机模型试验测点数据可知,蜗壳进口处脉动压力主要为低频运动；顶盖下脉动压力,即导叶后转轮前的区域,主要为中频运动；尾水管流道内的脉动压力表现为低频运动。根据流道脉动压力时间历程曲线选取脉动压力幅值较大的情况,作为典型工况,具体施加的脉动压力荷载参数见表4。采用谐响应法,即认为蜗壳及尾水管内全流道的脉动压力为均匀分布且同相位,对脉动水压力作用下的厂房结构振动响应进行计算。

表4 流道脉动压力幅值及主频

在脉动压力作用下,厂房相对薄弱的楼板、风罩结构容易引起强烈振动,选取部分振动反应较大的部位计算其动力响应值,计算结果见表5。

表5 各部位最大振动位移、均方根速度和均方根加速度

由计算结果可知：①发电机层楼板属于厂房结构较为薄弱部位,其振动反应较明显。上下游向振动较其他两向突出,振动位移最大为18.03 μm,出现在下游与风罩左侧连接处,远小于厂房振动位移控制标准。发电机层楼板振动速度、振动加速度分布规律与振动位移一致,上下游向最大均方根速度为1.025 mm/s,最大均方根加速度为0.082 m/s2,同样满足厂房振动控制标准。母线层楼板振动反应分布规律与发电机层楼板大体相同,但其响应值较发电机层楼板要小。②风罩振动反应以水平向振动为主,其中上下游向反应较为明显。风罩部位上下游向振动位移最大为17.46 μm,满足控制标准要求；最大均方根速度、均方根加速度与发电机层楼板响应值最为接近,分别达到了0.993 mm/s、0.080 m/s2。机墩作为大体积块体结构,其振动反应较风罩部位要小。机墩部位振动响应最大值主要集中在下游定子基础截面外部,该部位上下游向振动位移达到13.92 μm,竖向振动位移达到8.37 μm；最大均方根速度、均方根加速度出现位置与最大动位移出现位置相同。③蜗壳外围混凝土水平振动响应值较其他部位要小,但其竖向振动位移最大,达到了10.22 μm,出现在下游中部位置。

流道脉动压力作用下厂房结构左右向最大动拉应力出现在尾水管出口端上部外围混凝土位置,值为0.295 MPa；竖向最大动拉应力出现在蜗壳鼻端混凝土位置,值为0.485 MPa；上下游向最大动拉应力出现在锥管进人洞内侧,值为0.175 MPa。蜗壳和尾水管钢衬附近的外围混凝土受到脉动压力作用产生的拉应力要比其他较远结构部位混凝土的拉应力大一些。由此说明,流道脉动压力作用对流道附近混凝土的影响要比其他结构部位的影响大。

5 结 论

本文通过对某水电站地下厂房结构机组振动荷载作用和流道脉动水压力作用下的振动反应分析,得出如下结论：

(1)机组振动荷载对楼板、风罩机墩等部位作用较明显,厂房整体结构能够满足水电站安全运行的要求。由于下机架基础板、定子基础板为机组振动荷载直接作用位置,故这些部位容易产生应力集中现象,实际设计时应注意在基础板位置处采取加强措施。

(2)流道脉动水压力作用下,厂房结构各部位各方向振动反应较小,楼板、风罩机墩等部位振动反应同样较其他部位明显。厂房整体结构中动应力水平较大的部位主要集中在流道附近,其动应力值低于混凝土动态抗拉强度。

(3)各层楼板、风罩、立柱等部位为厂房结构中较为薄弱的部位,设计中应注意采取措施增加这些部位的刚度以提升其抗振能力。

[1]马震岳, 路振刚. 红石水电站厂房的机组诱发振动及抗振加固研究[J]. 水力发电学报, 2002(1)： 28-36．

[2]申艳, 伍鹤皋, 熊卫亚, 等. 白莲河抽水蓄能电站地下厂房内部结构动力分析[J]. 水力发电, 2010, 36(7)： 43-46．

[3]汪丽川, 宋自灵, 李贤通. 岩滩电厂机组和厂房振动消除的研究[J]. 广西电力, 2003, 26(1)： 1-7．

[4]宋志强. 水电站机组及厂房结构耦合振动特性研究[D]. 大连： 大连理工大学, 2009．

[5]马震岳, 张波. 水电站厂房机墩结构加载方式探讨及刚度分析[J]. 水力发电, 2009, 35(7)： 40-43．

[6]NB/T 35011—2013 水电站厂房设计规范[S].

[7]马震岳, 张运良, 陈婧, 等. 水电站厂房和机组耦合动力学理论及应用[M]. 北京： 中国水利水电出版社, 2013．

(责任编辑 焦雪梅)

Vibration Responses Analysis of Hydro-Plant Powerhouse Structure Due to Endogenic Vibration

GAO Mengwei, FANG Chaoyang

(School of Water Resources and Hydropower Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China)

The vibration energy generated by sorts of exciting force owing to the operation of hydropower generating units is quite large. It will directly affect powerhouse structure which is the support system of units and even seriously threaten powerhouse structure safety. Based on linear elastic dynamics finite element calculation theory, the FEM software ANSYS is utilized to establish three-dimensional finite element model of a underground powerhouse, and the dynamic calculation for powerhouse model is carried out to research endogenic vibration’s effect on powerhouse structure. The result indicates that the effects of unit vibration load are obvious on the floor, the wind shield and the generator pier, while the overall powerhouse structure can meet the requirements of safe operation of hydropower station．

underground powerhouse; endogenic vibration; vibration response; finite element method

2016-06-14

高朦伟(1990—),男,河北沧州人,硕士研究生,主要研究方向为水工结构数值模拟；方朝阳(通讯作者)．

TV731

A

0559-9342(2017)02-0044-03