直埋式蝸殼結構動力響應特性真機測試分析研究

職保平，馬震岳，張宏戰，王溢波

（大連理工大學建設工程學部水利工程學院，遼寧 大連 116024）

0 概述

目前，國內外大中型中高水頭機組廠房蝸殼埋設主要采取墊層蝸殼、充水保壓蝸殼和直埋蝸殼（也稱 “完全聯合承載蝸殼”）3種方式。由于埋設方式的不同，蝸殼結構的受力特點存在很大差異。文獻[1～3]對各埋設方式研究現狀及存在的問題作了詳細的論述。其中，直埋蝸殼受力狀態好、安全性高、整體剛度大，造價低、施工工藝簡單、工期可以縮短，因而高水頭、大容量機組采用該結構型式在技術與經濟方面都有較大的優越性。

水電站直埋式蝸殼結構的主要特點是：蝸殼進口端有部分墊層，其余部分無墊層，無充水預壓，外圍混凝土直接澆筑。我國某單機容量為350 MW的大型水電站采用了直埋式蝸殼，其鋼管和蝸殼直徑大，水電站額定水頭60 m，額定轉速75 r/min。為準確全面了解機組廠房整體結構及重要構件的振動特性，實現靜動態設計的后評估和振動的有效控制，有必要進行全面的監測分析，從而掌握機組在不同運行工況下的振動狀態，對振動區間、振動幅頻特征、振動強度和振動發展趨勢有清楚可靠的了解。

測試采用CA-YD-109B壓電式加速度傳感器和SYL-1壓電式脈動壓力傳感器，DH5920動態信號分析采集系統；測試結果采用97%置信度峰峰值，利用數學統計、Welch法的功率譜估計分析以及相關的方法對信號進行分析，文獻[4，5]詳細分析了實測信號選用Welch法進行功率譜估計的優越性。同時在進行功率譜分析時，選用的分析方法、窗函數、窗函數大小、疊加范圍等完全相同，保證該方法下所得頻率的能量幅值具有可比性。

1 水輪機流道的水壓脈動規律分析

混流式水輪機水壓脈動對水力機組和廠房結構穩定性的影響較顯著[6]。實際運行中，尾水管的水壓脈動測量比較方便，且各種水力因素引起的水壓脈動大都能在尾水管中體現出來，因此，尾水管水壓脈動的分析具有特別重要的意義。

尾水管測點位置在尾水管進人門處，利用尾水管錐管段鋼板壁上的引出水管安裝水壓脈動傳感器；蝸殼進口端、轉輪與導葉間、蝸殼末端測點為水電站預埋。試驗前水壓脈動傳感器用標準壓力計靜態原位率定。

2號機組單獨運行工況為：50、90、175、265和326 MW。2號機組尾水管、蝸殼進口、蝸殼末端及轉輪與導葉間壓力脈動隨發電機組負荷變化關系見圖1，各工況對應功率譜主頻見表1，326 MW工況各測點相關系數見表2。各測點壓力脈動的功率譜見圖2。

圖1 各測點壓力脈動峰峰值隨負荷的變化關系

從上述圖表可以看出，2號機組單機運行時，尾水管、蝸殼進口、蝸殼末端及轉輪與導葉間壓力脈動存在3個主要特征區：

表1 壓力脈動各工況對應主振頻率

表2 壓力脈動326 MW工況下各測點相關系數

圖2 326 MW壓力脈動測點功率譜

（1）發電機組出力范圍在0～90 MW，其主振頻率為0.244 Hz（0.2倍轉頻）及2.06 Hz（1.65倍轉頻），并在90 MW出現最大的壓力脈動水頭峰峰值7.58 m，相對值12.7%，尾水管區域的水壓脈動對整個水輪機結構和廠房結構具有較強的激勵效應。

（2）發電機組出力在175 MW，其頻率范圍在0.24～0.26 Hz，為轉頻的1/4.8～1/5.2，脈動壓力幅值相對值為1.2%～3.75%，該區域屬于典型的尾水管渦帶脈動區，水壓脈動過程具有明顯的周期性。

（3）發電機組出力范圍265～326 MW，其中尾水管壓力脈動的主要頻率范圍在0.995～9.537 Hz之間，其余測點主要頻率均為轉頻1.25 Hz，水壓力脈動幅值相對值范圍為0.613%～1.237%。

（4）在發電機組滿負荷運行中，壓力脈動具有高度相關性。從表2可知，326 MW工況中壓力脈動所有測點具有很好的相關性，其中蝸殼進口端、蝸殼末端處壓力脈動時程數據的相關性最高，相關系數達0.931。圖2表明，蝸殼末端能量僅比進口端能量小13.4%，表明蝸殼內部流場均勻，水流保持很好的平穩性；而轉輪導葉間與尾水管水力脈動雖然以低頻為主，但其成分復雜。較高的相關性表明，壓力脈動各點隨機組出力變化具有近似一致響應。

（5）在發電機組升負荷過程中，蝸殼內部脈動壓力與尾水管脈動壓力幅值相比，尾水管脈動壓力幅值明顯大于蝸殼內部各部位脈動壓力幅值，從而判斷尾水管為蝸殼振動的主要水力振源[7]。

2 蝸殼結構的振動測試與分析

蝸殼作為直接承受作用力的部件，其靜動態特性對機組、廠房的穩定運行至關重要，同時也是水電站廠房振動分析的重要組成部分。本工程在蝸殼鋼襯和混凝土內部預埋了8個壓電式加速度傳感器，其中1、3、5、7號測點緊貼鋼蝸殼，2、4、6、8號測點位于緊貼鋼蝸殼相應測點沿徑向間隔約1 m的混凝土中。施工過程中3、4、6號傳感器被損壞。蝸殼的進口端直徑11.2 m，從引水管道至28號管節，鋪設厚度為30 mm、彈性模量為2.0 MPa的彈性墊層，其余部位的蝸殼為直埋方式，測點及墊層位置分布見圖3，各測點工況主頻見表3。各測點振動加速度峰峰值隨負荷的變化關系見圖4，各測點加速度的功率譜圖見圖5。

圖3 蝸殼測點及墊層位置

表3 蝸殼各測點各工況主頻

通過分析可得到以下結論：

圖4 各測點振動加速度峰峰值隨負荷的變化關系

圖5 326 MW工況加速度測點功率譜

（1）蝸殼振動隨機組出力發生相應變化：在0～90 MW，振動逐步上升，至90 MW時出現振動峰值，最大值出現在蝸殼進口端腰線位置；機組出力至175 MW時，蝸殼振動驟降；機組出力至滿負荷326 MW時，蝸殼振動逐步上升，但小于90 MW時（最不利工況下）的幅值；整個測試過程除2號測點外，隨機組出力的變化規律基本相同，各測點均在90 MW達到振動最大值。

（2）1、5、8號測點振幅峰值隨機組升負荷變化而產生明顯變化，圖4表明1、5、8號3測點沿蝸殼徑向加速度峰值隨工況變化具有較好的一致性，3者相關系數達到0.9，其峰值出現于機組出力90 MW的工況。

（3）2號測點和5號測點的主頻為1.25 Hz，為機組轉頻，測點1號和測點7號的主頻為47～48 Hz和42～43 Hz，測點8號的主頻為12～15 Hz，并且在50 MW工況時主頻為40 Hz，1、7、8號測點在整個升負荷過程中均未出現低頻的水力振動。

（4）從圖4可以看出，測點1號與2號、7號及8號的振動加速度比較，位于混凝土內部測點2、8號的振動幅度遠小于鋼蝸殼上相應位置的1、7號測點，且8號測點保持了隨機組出力變化的同步性。分析認為，這是由于振動波通過1 m厚混凝土后能量耗散，導致振幅大幅度減小。

（5）1、5、7號為緊貼鋼蝸殼測點，1、5號測點測試部位鋪設有墊層，振幅經過90 MW的最不利工況后分別衰減了80%、83%；而位于直埋管段的7號測點振幅衰減僅為32%，且于326 MW滿負荷工況時達到最不利工況的幅值。與此同時，混凝土內的8號測點衰減84%，振動幅度較小，振動加速度最大值僅1.855 m/s2，且隨負荷的增大沒有明顯變化。以上分析表明，蝸殼進口端鋪設的墊層吸振、減振作用明顯，而直埋管段振動能量較高。

3 脈動壓力與蝸殼振動關系分析

綜合以上分析可知，在振動幅值上，蝸殼結構振動與脈動壓力具有緊密聯系，除蝸殼2號測點外，各工況的蝸殼振動均與蝸殼內部及尾水管水壓脈動保持同步性；但在頻率上，蝸殼外圍的1、7、8號測點均無水力振源頻率，而2、5號測點與脈動壓力主頻一致。265、326 MW工況在整個蝸殼流場均出現主頻為轉頻的振動。

在蝸殼外圍測點中，鋼蝸殼外壁腰線部位的1、7號測點以42.6、46.6 Hz為主頻，其功率譜中低頻成分所占比例很小，低頻的水力振動經過鋼蝸殼后主頻轉移至高頻振動。猜想為鋼材質的蝸殼對低頻不敏感，而將其振動能量轉化為高頻部分，該點有待進一步驗證。8號測點中以12 Hz為主頻，同時富含10～25 Hz頻率，以及少量低頻成分，由于7號與8號測點間隔1 m的混凝土，高頻振動進一步轉化為低頻振動，同時1號測點亦不存在低頻分量，而相應的位于混凝土部分的2號測點又再次顯現低頻振動，再次印證了7、8號測點頻率高低頻轉化的現象。水力振動經鋼蝸殼、混凝土所產生的低頻到高頻再到中頻的變化有待進一步分析。

4 結語

本文對采用直埋式蝸殼的水電站廠房的現場振動測試成果進行了詳細分析，主要結論如下：

（1）在升負荷通過振動最不利工況后，未鋪設墊層的蝸殼外圍混凝土測點振動幅度衰減程度遠小于蝸殼進口端鋪設墊層部分的測點的衰減程度。

（2）直埋式蝸殼內部水力振動經鋼蝸殼傳導后由低頻振動轉移至高頻振動，而經過混凝土后再次降頻。

（3）升負荷運行時，尾水管壓力脈動存在3個主要特征區，同時蝸殼內部及尾水管的脈動壓力與蝸殼外圍混凝土結構的振動幅值規律保持了較好的同步性。因此，蝸殼及尾水管流道流場為蝸殼振動的主要振源。

（4）各測點的振動幅值分析表明，須合理優化水輪發電機組的發電運行區間，以利于機組和廠房結構的振動控制。

［1］伍鶴皋，黃小艷，張啟靈，等.水電站直埋蝸殼結構受力特性與承載力［J］.天津大學學報，2008，41（7）:777-782.

［2］程國瑞.不同埋設方式的巨型蝸殼結構分析［D］.大連理工大學，2006.

［3］陳婧，張運良，馬震岳，等.不同埋設方式下巨型水輪機蝸殼結構動力特性研究［J］.大連理工大學學報，2007，47（4）:593-597.

［4］王福杰，潘宏俠.MATLAB中幾種功率譜估計函數的比較分析與選擇［J］.電子產品可靠性與環境試驗，2009，27（6）:28-31.

［5］杜峰，唐嵐，丁峻強.PSD和PWELCH函數的分析改進及應用［J］.中國測試，2010，36（1）:93-96.

［6］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.

［7］孫萬泉，馬震岳，趙鳳遙.抽水蓄能電站振源特性分析研究［J］.水電能源科學，2003，21（4）:78-80.