機組振動荷載作用下大型水電站廠房振動反應分析

張宏戰,相昆山,馬震岳

(大連理工大學建設工程學部水利工程學院,遼寧 大連 116024)

0 前 言

自單機容量70×104kW的巨型水輪發電機組在三峽、小灣水電站的安裝投產后,隨著我國的水電機組的設計制造水平的提高,單機容量不斷創造新高。我國在建的溪洛渡和向家壩水電站的設計單機容量分別為77×104kW和80×104kW,擬建的金沙江白鶴灘水電站單機容量達100×104kW。由于機組容量的增大,機組轉動部件的重量、軸向水推力以及作用在支撐結構上的機組偏心力、不平衡磁拉力及電磁扭矩均會顯著增大。例如三峽水電站機組轉動部分總重達到2242.5 t,運行時作用在每個下機架基礎板的豎向動荷載的最大值達到7822 kN。與機組容量增大相適應,電站廠房結構的尺寸亦隨之增大,導致廠房結構的剛強度相對降低。因此預測大型水電站廠房在機組振動荷載作用下的振動反應,對于防止和控制劇烈振動的發生,確保結構安全,具有十分重要的意義。

本文以單機容量為60×104kW的錦屏一級水電站地下廠房為例,建立了廠房的三維有限元模型,根據制造商提供的機組動荷載,進行了廠房結構在機組動荷載下的振動反應分析。并根據相關規范和建議的廠房振動控制標準對振動位移、速度、加速度和應力進行了簡要評價,以期為其它大型電站設計提供參考。

1 計算模型及工況

1.1 有限元計算模型

以3#標準機組段為對象,模型中模擬了排水廊道、尾水管及外圍混凝土、座環、蝸殼、蝸殼外圍混凝土、機墩、風罩及各層樓板、梁和結構柱等,所有混凝土結構及較大孔洞均按實際體型尺寸進行建模。模型中僅考慮部分圍巖,模型底部采用固定約束,周邊圍巖約束以三向彈性支撐代替。模型的結點總數為61859,單元總數為52339。有限元網格剖分見圖1。混凝土材料,在1625.80高程以上采用C25,以下采用C20,泊松比為0.167。混凝土的動態抗壓強度取為靜態抗壓強度的1.3倍,動態抗拉強度取為動態抗壓強度的0.1倍,結構的阻尼系數取0.05。

1.2 計算荷載和工況

水輪發電機組運行時所產生的振動荷載主要有以下3種:

(1)垂直動荷載:包括發電機轉子連軸重、水輪機轉輪連軸重、軸向水推力等。

(2)水平動荷載:包括不平衡磁拉力和機組偏心離心力。

(3)發電機扭矩:發電機運轉時,由電磁感應作用在定子基礎及機架上的電磁扭矩。

圖1 廠房整體模型網格圖

計算工況及作用在機墩上機架基礎板(14個)、定子基礎板(14個)和下機架基礎板(12個)上的動荷載見表1。在動力計算中,僅考慮了機組振動荷載,未計入蝸殼和尾水管中脈動水壓力及結構自重、水壓力等靜荷載的影響。

表1 機墩每個基礎板動荷載標準值 單位:kN

1.3 計算方法

采用諧響應法進行計算,將機組振動載荷作為簡諧振動力施加在相應位置,載荷的頻率為轉速頻率(正常運行工況為額定轉頻2.38 Hz,其余3種工況為飛逸轉頻4.50 Hz),且認為各荷載分量是同相位的,即各荷載同時達到最大值,這也是最不利的一種作用組合。

2 計算結果分析

2.1 廠房振動評價指標

根據現行水電站廠房設計規范[1],機墩振幅的控制標準為:垂直振幅長期組合不大于0.1mm,短期組合不大于0.15mm;水平橫向與扭轉振幅之和長期組合不大于0.15mm,短期組合不大于0.2mm。表1給出的四種工況中,正常運行工況屬于長期組合,而其它3種工況,屬于偶然組合,其動位移可不按規范的要求進行控制。

水電站廠房設計規范中,除給出墩振幅限值外,并未給出廠房結構振動的明確標準。參考國內外對建筑結構[2-3]、動力機械基礎[4]以及人體健康[5]等的振動控制標準,結合大型水電站主廠房的結構特點、運行環境和設計要求,提出對錦屏一級水電站主廠房振動控制標準的建議。根據不同的標準分別以振動加速度、速度和振幅為參量,列于表2中。

2.2 結構振動位移

廠房結構各典型部位在各種工況下的最大動位移(振幅)匯總列于表3。從表3可以看出:①正常運行工況下,機墩的豎向振動位移最大,振幅為0.27mm,位于機墩進人孔頂部下機架基礎荷載作用點處,超過了規范規定的最大振幅值。這主要是由于機組運行時,下機架基礎處的垂直動荷載較大,使得荷載作用點處的豎向動位移較大。圖2給出了正常運行工況下機墩下機架基礎截面豎向動位移的分布,由圖2可以看出在基礎板位置存在變形集中現象。正常運行工況下,機墩的水平橫向與扭轉動位移之和小于規范規定的允許值。②正常運行工況下,各層樓板的豎向動位移相對較大,水平動位移相對較小,但振幅均滿足控制標準。③事故工況下,工況2～工況4機組的垂直動荷載與正常運行工況的相同,機墩的豎向振幅較大,豎向動位移分布與正常運行工況基本一致。工況2～工況3下機墩定子基礎截面上的水平動荷載與正常運行工況相比增大數倍,其余位置動荷載不變。但由于荷載頻率的不同,機墩的水平振動幅值并不與動荷載幅值成正比。工況2下機墩的水平振動位移與正常運行工況下大小相當,沒有超過規范規定的允許值。而工況3下,機墩水平動位移較大,最大值為0.37mm。與正常運行工況相比,工況4下機墩各高程上的水平動荷載幅值均成倍增大,但機墩的水平振幅僅增大了28.6%。④工況2下,各層樓板的各向振動位移值與正常運行工況相差不大,豎向振幅相對較大。工況3下,樓板的各向振動位移值與正常運行工況相比明顯增大,各層樓板的橫向振幅相對較大。工況4與正常運行工況相比,除定子基礎截面的水平動荷載明顯增大外,上機架基礎板承受的徑向和切向動荷載也成倍增大,使得發電機層樓板動位移較大,最大值達到0.40mm。

表2 錦屏一級水電站主廠房振動控制標準建議值

圖2 下機架基礎截面豎向動位移分布圖(mm)

表3 機墩和樓板各向最大動位移 單位:mm

機墩最大豎向振幅(動態變形)均發生在較大荷載作用點附近,屬于變形集中。有限元法計算的振幅結果較取平面框架結構按結構力學法計算的大,其他電站廠房的計算,也反映出這一規律。參照規范[1]和文獻[6]采用結構力學法對機墩的豎向振幅進行了進一步的復核。計算結果表明,在正常運行工況下,作用在機墩上的豎向動荷載的頻率分別取為轉頻和水力沖擊頻率時,機墩對應的豎向振幅分別為0.078mm和1.15×10-3mm,小于規范要求的限值。綜合以上分析可知,在正常運行工況下機墩以及各層樓板的各向振幅滿足規范和控制標準的要求。在三種事故工況下,在機墩和樓板的局部位置振幅較大,但這三種工況均屬于偶然組合,其動位移可不必按規范的要求進行控制。

2.3 結構振動速度和加速度

各工況下,機墩和各層樓板的各向最大均方根速度和最大均方根加速度值如表4和表5所示。從表4和表5中可以看出,正常運行工況下,機墩和各層樓板的振動速度和加速度分布規律與振動位移相似,各向數值均以豎向最大。但振動速度和加速度數值較小,樓板和機墩的各向振動速度和加速度均未超過控制標準的要求。

表4 機墩和樓板各向最大均方根速度 單位:(mm·s-1)

表5 機墩和樓板各向最大均方根加速度 單位:(mm·s-2)

在事故工況下,各工況下樓板和機墩的各向振動加速度均未超過控制標準的要求。工況2的機墩的豎向最大振動速度為5.2mm/s,超過了控制標準的限值5.0mm/s。工況3的發電機層樓板和母線層樓板的豎向振動速度分別為3.60mm/s和3.80mm/s,均超過了控制標準的限值3.20mm/s。工況4的發電機層樓板的縱向振動速度和豎向振動速度分別為7.99mm/s和4.20mm/s,分別超過了對應的控制標準的限值5.0mm/s和3.20mm/s。

綜合以上分析可知,正常運行工況下,廠房結構的各向振動速度和加速度均能滿足控制標準的要求。在事故工況下,廠房結構的振動加速度能夠滿足控制標準的要求,但有局部位置振動速度偏大,超過了建議的允許值。但這些工況均屬于偶然組合,其振動速度可不必進行控制。

2.4 結構振動應力

廠房結構各典型部位在各種工況下的最大動應力匯總列于表6。計算結果的主要規律和特點,歸納如下:①正常運行工況下,廠房混凝土結構在機組振動荷載作用下的最大動應力,出現在下機架基礎截面的荷載作用點處的豎向,最大值為1.27MPa,水平向的動應力較小,最大值僅為0.55MPa。圖3給出了正常運行工況下,機墩下機架基礎截面最大主應力的分布圖,從中可以看出,在載荷作用點附近存在明顯的應力集中現象。正常運行工況下,機墩和各層樓板動應力較小,最大值僅為0.16MPa。②在工況2～工況4下,機墩的豎向動應力最大值與正常運行工況相差不大,介于1.19～1.26MPa之間。事故工況下機墩的水平振動應力最大值為0.96MPa,發生在工況3下定子基礎截面切向。各事故工況中,樓板的各向振動應力最大值為0.82MPa,發生在工況4下,發電機層樓板與風罩左側連接處縱向。

圖3 下機架基礎截面主拉應力分布圖(Pa)

表6 機墩和樓板各向最大振動應力 單位:MPa

綜合以上分析可知,在各工況下,樓板和機墩的各向振動應力幅值較小,小于混凝土的動態抗拉和抗壓強度,滿足強度設計要求。

3 結 論

錦屏一級水電站地下廠房在機組振動荷載下的振動反應研究結果表明,在正常運行工況下,機墩的各向振幅未超過規范的限值,機墩結構剛度滿足要求。各層樓板的各向振幅也滿足控制標準的要求。在正常運行工況下,樓板和機墩的各向振動速度和振動加速度均未超過控制標準的要求。在正常運行工況和各事故工況下,樓板和機墩的各向振動應力幅值較小,均小于混凝土的動態抗拉和抗壓強度,滿足強度設計要求。說明錦屏一級水電站廠房結構在機組動荷載作用下的振動反應在可控范圍之內,廠房結構的抗振設計滿足要求。

隨著水輪發電機組單機容量以及水電站廠房結構尺寸的增大,在機組振動荷載作用下廠房結構的抗振問題更加突出,應當予以足夠重視。本文采用的計算方法和評價指標可為其他大型水電站廠房的抗振設計提供借鑒和參考。

[1]水利部天津水利水電勘測設計研究院.SL266-2001.水電站廠房設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,2001:37-38.

[2]馬震岳,董毓新.水電站機組及廠房振動的研究與治理[M].北京:中國水利水電出版社,2004:335-365.

[3]Building and Civil Engineering Standards Committee,DIN-4150-3.Structural Vibration Part 3:Effects of vibration on structures[S].Germany:DIN Germany Institute,1999:1-11.

[4]中華人民共和國機械工業部.GB50040-96.動力機器基礎設計規范[S].北京:中國計劃出版社,1996:39-40.

[5]全國機械振動與沖擊標準化技術委員會.GB/T13441.1-2007.機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價第一部分:一般要求[S].北京:中國標準出版社,2007:4-20.

[6]顧鵬飛,喻遠光.水電站廠房設計[M].北京:中國水利水電出版社,1987:150-214.