直埋式蝸殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性真機(jī)測試分析研究

職保平，馬震岳，張宏戰(zhàn)，王溢波

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 概述

目前，國內(nèi)外大中型中高水頭機(jī)組廠房蝸殼埋設(shè)主要采取墊層蝸殼、充水保壓蝸殼和直埋蝸殼（也稱 “完全聯(lián)合承載蝸殼”）3種方式。由于埋設(shè)方式的不同，蝸殼結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)存在很大差異。文獻(xiàn)[1～3]對(duì)各埋設(shè)方式研究現(xiàn)狀及存在的問題作了詳細(xì)的論述。其中，直埋蝸殼受力狀態(tài)好、安全性高、整體剛度大，造價(jià)低、施工工藝簡單、工期可以縮短，因而高水頭、大容量機(jī)組采用該結(jié)構(gòu)型式在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)方面都有較大的優(yōu)越性。

水電站直埋式蝸殼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：蝸殼進(jìn)口端有部分墊層，其余部分無墊層，無充水預(yù)壓，外圍混凝土直接澆筑。我國某單機(jī)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(zhuǎn)速75 r/min。為準(zhǔn)確全面了解機(jī)組廠房整體結(jié)構(gòu)及重要構(gòu)件的振動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)靜動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的后評(píng)估和振動(dòng)的有效控制，有必要進(jìn)行全面的監(jiān)測分析，從而掌握機(jī)組在不同運(yùn)行工況下的振動(dòng)狀態(tài)，對(duì)振動(dòng)區(qū)間、振動(dòng)幅頻特征、振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)發(fā)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(dòng)壓力傳感器，DH5920動(dòng)態(tài)信號(hào)分析采集系統(tǒng)；測試結(jié)果采用97%置信度峰峰值，利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、Welch法的功率譜估計(jì)分析以及相關(guān)的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，文獻(xiàn)[4，5]詳細(xì)分析了實(shí)測信號(hào)選用Welch法進(jìn)行功率譜估計(jì)的優(yōu)越性。同時(shí)在進(jìn)行功率譜分析時(shí)，選用的分析方法、窗函數(shù)、窗函數(shù)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(jī)流道的水壓脈動(dòng)規(guī)律分析

混流式水輪機(jī)水壓脈動(dòng)對(duì)水力機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響較顯著[6]。實(shí)際運(yùn)行中，尾水管的水壓脈動(dòng)測量比較方便，且各種水力因素引起的水壓脈動(dòng)大都能在尾水管中體現(xiàn)出來，因此，尾水管水壓脈動(dòng)的分析具有特別重要的意義。

尾水管測點(diǎn)位置在尾水管進(jìn)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(dòng)傳感器；蝸殼進(jìn)口端、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間、蝸殼末端測點(diǎn)為水電站預(yù)埋。試驗(yàn)前水壓脈動(dòng)傳感器用標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)靜態(tài)原位率定。

2號(hào)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行工況為：50、90、175、265和326 MW。2號(hào)機(jī)組尾水管、蝸殼進(jìn)口、蝸殼末端及轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間壓力脈動(dòng)隨發(fā)電機(jī)組負(fù)荷變化關(guān)系見圖1，各工況對(duì)應(yīng)功率譜主頻見表1，326 MW工況各測點(diǎn)相關(guān)系數(shù)見表2。各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)的功率譜見圖2。

圖1 各測點(diǎn)壓力脈動(dòng)峰峰值隨負(fù)荷的變化關(guān)系

從上述圖表可以看出，2號(hào)機(jī)組單機(jī)運(yùn)行時(shí)，尾水管、蝸殼進(jìn)口、蝸殼末端及轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間壓力脈動(dòng)存在3個(gè)主要特征區(qū)：

表1 壓力脈動(dòng)各工況對(duì)應(yīng)主振頻率

表2 壓力脈動(dòng)326 MW工況下各測點(diǎn)相關(guān)系數(shù)

圖2 326 MW壓力脈動(dòng)測點(diǎn)功率譜

（1）發(fā)電機(jī)組出力范圍在0～90 MW，其主振頻率為0.244 Hz（0.2倍轉(zhuǎn)頻）及2.06 Hz（1.65倍轉(zhuǎn)頻），并在90 MW出現(xiàn)最大的壓力脈動(dòng)水頭峰峰值7.58 m，相對(duì)值12.7%，尾水管區(qū)域的水壓脈動(dòng)對(duì)整個(gè)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)和廠房結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的激勵(lì)效應(yīng)。

（2）發(fā)電機(jī)組出力在175 MW，其頻率范圍在0.24～0.26 Hz，為轉(zhuǎn)頻的1/4.8～1/5.2，脈動(dòng)壓力幅值相對(duì)值為1.2%～3.75%，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷奈菜軠u帶脈動(dòng)區(qū)，水壓脈動(dòng)過程具有明顯的周期性。

（3）發(fā)電機(jī)組出力范圍265～326 MW，其中尾水管壓力脈動(dòng)的主要頻率范圍在0.995～9.537 Hz之間，其余測點(diǎn)主要頻率均為轉(zhuǎn)頻1.25 Hz，水壓力脈動(dòng)幅值相對(duì)值范圍為0.613%～1.237%。

（4）在發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行中，壓力脈動(dòng)具有高度相關(guān)性。從表2可知，326 MW工況中壓力脈動(dòng)所有測點(diǎn)具有很好的相關(guān)性，其中蝸殼進(jìn)口端、蝸殼末端處壓力脈動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.931。圖2表明，蝸殼末端能量僅比進(jìn)口端能量小13.4%，表明蝸殼內(nèi)部流場均勻，水流保持很好的平穩(wěn)性；而轉(zhuǎn)輪導(dǎo)葉間與尾水管水力脈動(dòng)雖然以低頻為主，但其成分復(fù)雜。較高的相關(guān)性表明，壓力脈動(dòng)各點(diǎn)隨機(jī)組出力變化具有近似一致響應(yīng)。

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

2 蝸殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測試與分析

蝸殼作為直接承受作用力的部件，其靜動(dòng)態(tài)特性對(duì)機(jī)組、廠房的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，同時(shí)也是水電站廠房振動(dòng)分析的重要組成部分。本工程在蝸殼鋼襯和混凝土內(nèi)部預(yù)埋了8個(gè)壓電式加速度傳感器，其中1、3、5、7號(hào)測點(diǎn)緊貼鋼蝸殼，2、4、6、8號(hào)測點(diǎn)位于緊貼鋼蝸殼相應(yīng)測點(diǎn)沿徑向間隔約1 m的混凝土中。施工過程中3、4、6號(hào)傳感器被損壞。蝸殼的進(jìn)口端直徑11.2 m，從引水管道至28號(hào)管節(jié)，鋪設(shè)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(diǎn)及墊層位置分布見圖3，各測點(diǎn)工況主頻見表3。各測點(diǎn)振動(dòng)加速度峰峰值隨負(fù)荷的變化關(guān)系見圖4，各測點(diǎn)加速度的功率譜圖見圖5。

圖3 蝸殼測點(diǎn)及墊層位置

表3 蝸殼各測點(diǎn)各工況主頻

通過分析可得到以下結(jié)論：

圖4 各測點(diǎn)振動(dòng)加速度峰峰值隨負(fù)荷的變化關(guān)系

圖5 326 MW工況加速度測點(diǎn)功率譜

（1）蝸殼振動(dòng)隨機(jī)組出力發(fā)生相應(yīng)變化：在0～90 MW，振動(dòng)逐步上升，至90 MW時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)峰值，最大值出現(xiàn)在蝸殼進(jìn)口端腰線位置；機(jī)組出力至175 MW時(shí)，蝸殼振動(dòng)驟降；機(jī)組出力至滿負(fù)荷326 MW時(shí)，蝸殼振動(dòng)逐步上升，但小于90 MW時(shí)（最不利工況下）的幅值；整個(gè)測試過程除2號(hào)測點(diǎn)外，隨機(jī)組出力的變化規(guī)律基本相同，各測點(diǎn)均在90 MW達(dá)到振動(dòng)最大值。

（2）1、5、8號(hào)測點(diǎn)振幅峰值隨機(jī)組升負(fù)荷變化而產(chǎn)生明顯變化，圖4表明1、5、8號(hào)3測點(diǎn)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(guān)系數(shù)達(dá)到0.9，其峰值出現(xiàn)于機(jī)組出力90 MW的工況。

（3）2號(hào)測點(diǎn)和5號(hào)測點(diǎn)的主頻為1.25 Hz，為機(jī)組轉(zhuǎn)頻，測點(diǎn)1號(hào)和測點(diǎn)7號(hào)的主頻為47～48 Hz和42～43 Hz，測點(diǎn)8號(hào)的主頻為12～15 Hz，并且在50 MW工況時(shí)主頻為40 Hz，1、7、8號(hào)測點(diǎn)在整個(gè)升負(fù)荷過程中均未出現(xiàn)低頻的水力振動(dòng)。

（4）從圖4可以看出，測點(diǎn)1號(hào)與2號(hào)、7號(hào)及8號(hào)的振動(dòng)加速度比較，位于混凝土內(nèi)部測點(diǎn)2、8號(hào)的振動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于鋼蝸殼上相應(yīng)位置的1、7號(hào)測點(diǎn)，且8號(hào)測點(diǎn)保持了隨機(jī)組出力變化的同步性。分析認(rèn)為，這是由于振動(dòng)波通過1 m厚混凝土后能量耗散，導(dǎo)致振幅大幅度減小。

（5）1、5、7號(hào)為緊貼鋼蝸殼測點(diǎn)，1、5號(hào)測點(diǎn)測試部位鋪設(shè)有墊層，振幅經(jīng)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(hào)測點(diǎn)振幅衰減僅為32%，且于326 MW滿負(fù)荷工況時(shí)達(dá)到最不利工況的幅值。與此同時(shí)，混凝土內(nèi)的8號(hào)測點(diǎn)衰減84%，振動(dòng)幅度較小，振動(dòng)加速度最大值僅1.855 m/s2，且隨負(fù)荷的增大沒有明顯變化。以上分析表明，蝸殼進(jìn)口端鋪設(shè)的墊層吸振、減振作用明顯，而直埋管段振動(dòng)能量較高。

3 脈動(dòng)壓力與蝸殼振動(dòng)關(guān)系分析

綜合以上分析可知，在振動(dòng)幅值上，蝸殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)與脈動(dòng)壓力具有緊密聯(lián)系，除蝸殼2號(hào)測點(diǎn)外，各工況的蝸殼振動(dòng)均與蝸殼內(nèi)部及尾水管水壓脈動(dòng)保持同步性；但在頻率上，蝸殼外圍的1、7、8號(hào)測點(diǎn)均無水力振源頻率，而2、5號(hào)測點(diǎn)與脈動(dòng)壓力主頻一致。265、326 MW工況在整個(gè)蝸殼流場均出現(xiàn)主頻為轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)。

在蝸殼外圍測點(diǎn)中，鋼蝸殼外壁腰線部位的1、7號(hào)測點(diǎn)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(dòng)經(jīng)過鋼蝸殼后主頻轉(zhuǎn)移至高頻振動(dòng)。猜想為鋼材質(zhì)的蝸殼對(duì)低頻不敏感，而將其振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為高頻部分，該點(diǎn)有待進(jìn)一步驗(yàn)證。8號(hào)測點(diǎn)中以12 Hz為主頻，同時(shí)富含10～25 Hz頻率，以及少量低頻成分，由于7號(hào)與8號(hào)測點(diǎn)間隔1 m的混凝土，高頻振動(dòng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為低頻振動(dòng)，同時(shí)1號(hào)測點(diǎn)亦不存在低頻分量，而相應(yīng)的位于混凝土部分的2號(hào)測點(diǎn)又再次顯現(xiàn)低頻振動(dòng)，再次印證了7、8號(hào)測點(diǎn)頻率高低頻轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。水力振動(dòng)經(jīng)鋼蝸殼、混凝土所產(chǎn)生的低頻到高頻再到中頻的變化有待進(jìn)一步分析。

4 結(jié)語

本文對(duì)采用直埋式蝸殼的水電站廠房的現(xiàn)場振動(dòng)測試成果進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要結(jié)論如下：

（1）在升負(fù)荷通過振動(dòng)最不利工況后，未鋪設(shè)墊層的蝸殼外圍混凝土測點(diǎn)振動(dòng)幅度衰減程度遠(yuǎn)小于蝸殼進(jìn)口端鋪設(shè)墊層部分的測點(diǎn)的衰減程度。

（2）直埋式蝸殼內(nèi)部水力振動(dòng)經(jīng)鋼蝸殼傳導(dǎo)后由低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)移至高頻振動(dòng)，而經(jīng)過混凝土后再次降頻。

（3）升負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，尾水管壓力脈動(dòng)存在3個(gè)主要特征區(qū)，同時(shí)蝸殼內(nèi)部及尾水管的脈動(dòng)壓力與蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值規(guī)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(dòng)的主要振源。

（4）各測點(diǎn)的振動(dòng)幅值分析表明，須合理優(yōu)化水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電運(yùn)行區(qū)間，以利于機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。

［1］伍鶴皋，黃小艷，張啟靈，等.水電站直埋蝸殼結(jié)構(gòu)受力特性與承載力［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，41（7）:777-782.

［2］程國瑞.不同埋設(shè)方式的巨型蝸殼結(jié)構(gòu)分析［D］.大連理工大學(xué)，2006.

［3］陳婧，張運(yùn)良，馬震岳，等.不同埋設(shè)方式下巨型水輪機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，47（4）:593-597.

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

［5］杜峰，唐嵐，丁峻強(qiáng).PSD和PWELCH函數(shù)的分析改進(jìn)及應(yīng)用［J］.中國測試，2010，36（1）:93-96.

［6］馬震岳，董毓新.水電站機(jī)組及廠房振動(dòng)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(xué)，2003，21（4）:78-80.