大型水电站厂房振动问题研究综述.pdf

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1、第14卷第1期中国水利水电科学研究院学报Vo1．14No．12016~2)1JournalofChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearchFebruary，2016文章编号：1672—3031(2016)01—0048—05大型水电站厂房振动问题研究综述尚银磊，李德玉，欧阳金惠(中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心，北京100048)摘要：随着水电站水轮机组单机出力和尺寸日益增大，特别是抽水蓄能电站的运行水头和转速不断提高，机组的水力稳定性与厂房结构振动等问题

2、日益突出。本文从厂房结构振源、厂房结构自振特性和厂房结构动力响应分析三方面总结了大型水电站厂房振动相关的研究和应用成果。结果表明，建立全耦合整体仿真模型对于推动大型水电站厂房振动问题研究的发展具有积极意义。同时，对有待于进一步研究的问题提出了展望。关键词：自振特性；流固耦合；厂房结构；压力脉动；影响因素中图分类号：TV731文献标识码：Adoi：10．13244／j．cnki．jiwhr．2016．01．0081研究背景振动不仅会消耗一部分功率使机组的效率降低，缩短检修周期和使用寿命，甚至会引起整个厂房结构和引水管道的

3、振动而被迫停机⋯。尤其随着水轮机组单机出力和蜗壳尺寸的不断增大，机组和厂房结构的刚度相对降低，水轮机在某些运行工况下普遍出现了振动不稳定现象，进而加剧了厂房结构的振动。特别是对于抽水蓄能电站，由于其具有高转速、大容量、高水头、抽水和发电双工况频繁变换等特点，机组和厂房振动问题较常规电站更为突出。已有研究表明，水电站机组和厂房结构的振动机理十分复杂，既有机组和厂房结构的相互影响，也有流体和固体结构之间的耦合振动。徐伟等”从结构振动能量传导的角度，阐述了传导路径对结构动力响应的贡献度；欧阳金惠等利用模型试验的实测值并经相似

4、转换后构造流道脉动压力场，分析整体厂房结构的动力响应特征；陈婧等综合考虑机组动荷载和水力荷载，研究厂房结构的振动特性。学者们基于不同的方法从不同的角度对水电站机组和厂房结构的振动问题进行研究，取得了很多共识性的成果，但是也存在一些分歧，比如压力脉动区水力振动问题发生机理和振动特性，包括其相位分布和传递规律等。本文系统总结大型水电站厂房振动相关的研究成果，并在此基础之上对有待进一步深入研究的问题提出展望。2厂房振动的振源分析厂房振动是一个多振源相互影响、联合作用、共同激发的综合响应，一般认为，引起机组和厂房结构振动的振源

5、主要分为水力、机械和电磁3个方面⋯。机械振动主要是由于水轮机组和发电机组结构不合理或者制造安装质量控制较差引起的，其振动频率一般表现为转频或转频倍数。电磁振动是由于水轮发电机转子和定子之间气隙不对称所产生的不均衡电磁力造成的，一般分为转频振动和极频振动。随着水电站机组制作安装工艺的日益完善和科技认知的进步，机械、电磁振动的机理和传递路径现已基本清楚，两者引发的厂房振动很大程度上已经得到解决。大量研究表明⋯，水力振源是引起水轮发电机组和厂房振动的主要振源，这是由水轮机过流部件单一，对偏离最优设计工况的流量和水头的变化适应

6、范围相对较窄的固有特点所决定的。文献[14]进一步研究表明，水力振收稿日期：2015-08—22基金项目：水利部公益行业专项(抗行业专项l519)；中国水利水电科学研究院专项(抗基本科研1509)作者简介：尚银磊(1990一)，河南鹿邑人，硕士生，主要从事水工结构工程振动研究。E—mail：shangyinlei一2011@126．con通讯作者：李德玉(1962一)，教授级高级工程师，主要从事工程抗震研究。E—mail：lideyu@iwhr．tom-——48-——大型水电站厂房振动问题研究综述尚银磊李德玉欧阳金惠源

7、中涡带频率成分引起的振动能量占振动总能量的40％一70％。由于水轮机流道边界的复杂性，水流在流经流道的过程中，形成了夹有涡带的复杂湍流。长期以来，国内外学者在湍流方面做了许多研究工作，虽然在湍流理论和计算方法方面取得了许多成果，但对于水轮机组流道中这种夹有涡带的湍流，其三维数值模拟仍处在探索阶段“。目前工程应用中，流道内水压脉动压力的研究主要以模型试验和原型观测为主。文献[20]基于三峡VGS水轮机模型试验测得的流道脉动压力数据，并参考其他混流式水轮机原型观测与模型试验成果对压力脉动换算系数的一般规律和初步共识，采用线

8、性插值的方法构造了三峡水轮机组流道内的脉动压力场，对156m水位下的厂房结构进行了振动响应分析。文献[21]通过水轮机流道内蜗壳和尾水管压力脉动实测值的幅值和主频，在蜗壳和尾水管分别构造同主频、同幅值、同相位的简谐振动，并采用时间历程分析法得到厂房结构典型部位的振动反应时程曲线。文献[3]按照流道内不同测点实测的主频和主频幅值，利