某抽水蓄能電站地下廠房振動特性分析

李直 伍彥熹

【摘要】近年來我國新建的一批大型抽水蓄能電站中，其高水頭、高轉速的特點導致振動的現象普遍、突出，對廠房結構的振動問題研究顯得十分重要。本文以某抽水蓄能電站地下廠房為實例，使用三維有限元方法，解析了廠房整體結構自振特性。

【關鍵詞】蓄能電站；廠房振動

1、工程概述

某抽水蓄能電站總裝機容量為600MW，本工程機組在出現強烈振動時，振動部位一般集中在發電機層以下的部位，所以計算重點應為廠房水下部分。機組外圍混凝土結構主要由風罩、機墩、蝸殼和尾水管組成。風罩的結構呈圓筒式，發電機層樓板與上機架支撐部位相連接。風罩下接內圓筒外八邊形的機墩混凝土結構，機墩的頂部為定子基礎板，底部固結于蝸殼的外包混凝土，下機架靠機墩內側的環形牛腿支撐。金屬蝸殼與包圍在其周圍的混凝土在下游側與邊墻聯為一體，并且共同承擔部分水壓力。

2、動力有限元計算理論

2.1 模態分析

利用模態分析，可以得到結構部件的固有頻率和振型，多自由度體系為彈性振動時，以下四種力作用于彈性體系：①外力{F}；②彈性恢復力[K]{u}，[K]為結構的剛度矩陣，{u}為結構位移量；③慣性力[M]{}，[M]為結構質量矩陣，{}為結構加速度向量；④阻尼力[C]{}，[C]為結構阻尼矩陣，{}為結構速度向量。以上四種力達到平衡，得到相應運動方程：

方程（2-4）稱為特征方程，解出方程的n個正實根，即自由振動的n階自振頻率。然后再將解回帶入公式（2-4）得到相應振型向量{}。

2.2 諧響應分析

諧響應分析通過計算結構的穩態受迫振動來預測結構的持續動力特性，對于一個單自由度體系，在諧振力p（t）=sin的作用下，為力的幅值，為激勵頻率，則體系強迫諧振的運動微分方程為：

位移響應包含的是兩個完全不同的振動成分，給出的是體系固有頻率的振蕩，是瞬態振動，它取決于初始速度和位移，當零初速度和零初始位移時，瞬態振動也存在；給出的是強迫頻率的振蕩，是穩態振動，與作用力有關而與初始條件沒有關系。

3 自振分析及共振復核

3.1 模型建立

采取大型商業軟件Ansys對1#、2#機組段結構進行三維有限元計算，計算范圍為：長度方向從廠右0+015.78m～廠左0+034.20m，上下游方向從廠上0+012.07m～廠下0+009.07m，尾水管部分取到廠下0+026.50m，模型高度從發電機層▽2.45m至尾水管層▽-27.0m。計算模型使用笛卡爾直角座標系，原點取為1#機組中心在蝸殼層的投影位置，其中X軸正向是廠房縱軸指向左（面向下游），Y軸正向指向下游，Z軸為鉛垂方向，向上為正。計算模型模擬了風罩、機墩、蝸殼及其外圍混凝土、各層樓板、邊墻柱等結構，模型采用實體單元建模，整體計算模型的總結點個數為275716個，總單元個數為162939個。

3.2 廠房整體自振頻率及振型

通過計算得到前20階廠房結構的自振頻率，由于是地下廠房，上、下游測巖對廠房結構的約束作用較大，邊界條件考慮為上、下游側邊墻與圍巖之間的彈性水平兩向約束，圍巖單位彈性抗力系數20MPa/cm。

由計算結果可知道，廠房結構基頻為13.56Hz，表現為廠房整體沿著一、三象限對角線水平振動，第3階時發電機層和母線層右側樓板起振，起振頻率為18.23Hz。后續若干階振型主要表現為樓板振動及帶動風罩、立柱等局部構建的振動。說明該部位在廠房結構中剛度較小，主要原因是該處樓板在縱軸線方向上跨度較大。

4、結論

a.對于該抽水蓄能電站，廠房振動問題明顯，所以在初設階段應考慮這一因素，進行合理優化的廠房抗振設計。

b.廠房整體沿一、三象限水平振動，樓板、帶動風罩、立柱等有局部自振。發電機轉輪的葉片數頻率對廠房右側樓板振動的影響較大。

參考文獻：

[1] 馬震岳，董毓新.水電站機組及廠房振動的研究與治理[M].中國水利水電出版，2004.10.