水電站機電設(shè)備隔振措施分析

張全利

(遼寧省水資源管理集團，遼寧 沈陽 110000)

水電站廠房的機電設(shè)備由于受到動力荷載及水動力荷載的綜合影響，在運行過程中水電站廠房振動較為明顯[1]。振動會對廠房的機電設(shè)備產(chǎn)生不同程度的影響，使得機組產(chǎn)生誤停機現(xiàn)象[2]。因此需要對廠房機電設(shè)備的隔振措施進行分析，提高機電設(shè)備的運行效率[3]。當前，國內(nèi)學者對于機電設(shè)備的隔振措施進行了相關(guān)研究，取得一定的研究成果[4- 8]，這些研究成果表明彈簧阻尼隔振措施在機電設(shè)備隔振措施實施中具有隔振效果好，使用期限長的特點。但是由于水電廠設(shè)備運行的特殊性，其機電設(shè)備的靜態(tài)承載力密度對其振動影響較大[9]，需要對機電設(shè)備靜態(tài)承載力密度進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而提高隔振措施的應(yīng)用效果。本文結(jié)合數(shù)值模擬方法，對遼寧省某水電廠廠房的機電設(shè)備進行靜態(tài)承載力密度的優(yōu)化，并對比優(yōu)化前后隔振措施的效果，提出最佳的隔振措施。

1 機電設(shè)備隔振理論

其主要理論為彈簧阻尼理論進行水電廠廠房機電設(shè)備的隔振研究，將一定剛度和質(zhì)量的混凝土板放置在彈簧阻尼器上進行隔振，該理論假定基礎(chǔ)為剛體結(jié)構(gòu)，結(jié)合粘滯阻尼進行隔振阻尼力計算，結(jié)合動力學方程對其浮動裝置運動方程計算，計算方程為：

mv(t)+cv(t)+kv(t)=-mvg(t)

(1)

式中，v(t)—運動位移，mm；vg(t)—運動荷載；m—質(zhì)量塊動能系數(shù)；c—阻尼系數(shù)；k—剛度系數(shù)。

在運動方程計算的基礎(chǔ)上，對其浮動裝置的穩(wěn)定相對位移進行計算，計算方程為：

(2)

(3)

方程中的變量與上述方程變量含義相同。

在靜態(tài)相對位移計算的基礎(chǔ)上，需要對振幅傳導力進行計算，計算方程為：

(4)

式中，vtmax—浮動裝置在隔振措施下的最大相對位移，mm。

2 計算模型建立

選取遼寧地區(qū)某壩后式水電站廠房為研究實例，該水電站廠房內(nèi)有4個水輪發(fā)電機組，各機組的額定頻率為1.48HZ，對各廠房的機組設(shè)備進行隔振措施的分析，建立相關(guān)分析模型。模型構(gòu)建主要包括幾何參數(shù)、物理參數(shù)以及隔振器的阻尼比和剛度。

2.1 幾何參數(shù)

采用T型結(jié)構(gòu)進行隔振底座的方案設(shè)計，由于底座質(zhì)量重心較高，因此增加其底座腹部的質(zhì)量，且加大其底座與中心之間的距離，因此采用單個隔振器的容重為1.4t/m3，其臺座表面為鋼板，單個隔振器示意如圖1所示。

圖1 單個隔振器示意圖

2.2 物理參數(shù)

(1)浮動裝置的質(zhì)量為3t，質(zhì)量中心的高度為3.5m，其慣性矩結(jié)構(gòu)見表1。

表1 隔振浮動裝置的慣性矩結(jié)構(gòu)

(2)隔振器剛度設(shè)置

為提高隔振器的效果，采用空氣彈簧的方式進行隔振器剛度的設(shè)置，共設(shè)置10個空氣彈簧，每個隔振器剛度設(shè)置方程為：

Kzi=Kxi=Kyi=1145.3N/cm

(5)

(3)隔振器阻尼比設(shè)置

設(shè)置隔振器Z方向的阻尼系數(shù)為1.5，其他方向均為1.2。

3 模型計算結(jié)果

3.1 自振動頻率分析

結(jié)合現(xiàn)場試驗的方式對隔振措施下的機電設(shè)備的自振動頻率進行分析，分析結(jié)果見表2。

表2 隔振措施下自振動頻率周期分析

從各方向的自振動頻率周期分析結(jié)果可看出，3和6階兩個自振動頻率周期變化不大，其他階數(shù)較這兩個階數(shù)自振動頻率周期變化性較大，這主要是因為其基底的底座并未和實際情況完全吻合，其豎直方向具有一定的偏差，考慮到底座的基礎(chǔ)作用和其自振頻率的相關(guān)度不高，使得基礎(chǔ)底座不同階數(shù)下扭轉(zhuǎn)速度對自振頻率周期性影響也不大，因此增加基礎(chǔ)底座的剛性強度，對其振動影響不大，需要進行隔振措施處理，提高其基礎(chǔ)底座的抗振性能。

3.2 擾動頻率對振動影響分析

分析不同方向各擾動頻率對其機電設(shè)備底座的隔振輸出幅值和隔振效率，結(jié)果見表3—5。

表3 頻域內(nèi)X方向振動輸入時的振動輸出幅值

表4 頻域內(nèi)Y方向振動輸入時的振動輸出幅值

從表中可看出，在不同干擾的頻域范圍內(nèi)，經(jīng)過隔振措施后，X方向、Y方向以及Z方向的隔振效率均值分別減少75.1%、79.8%以及81.2%，從安全角度考慮，采用隔振措施后，其機電設(shè)備的工臺臺面的最大振幅輸出值為8.35um/s，也同樣在在振動允許的規(guī)范值內(nèi)。在不同干擾頻域范圍內(nèi)，采用隔振措施后，振動頻率較為集中的頻域內(nèi)，且振動明顯遞減，且隨著干擾頻率的遞增，機電設(shè)備隔振效果越佳。

3.3 隔振效果對比分析

對靜態(tài)承載力密度優(yōu)化前后的隔振效果進行對比分析，分析結(jié)果見表6。

從表6中可以看出，靜態(tài)承載力密度對于隔振措施影響較為明顯，在靜態(tài)承載力密度優(yōu)化氣候，不同頻率比下，振動頻率較優(yōu)化前有所減少，且隨著振動頻率和頻率比的增加，優(yōu)化前后的振動頻率變幅逐步較大。從優(yōu)化前后的隔振效率對比結(jié)果可看出，相比于靜態(tài)承載力密度優(yōu)化前，優(yōu)化后的隔振效率得到顯著提升，各振動頻率和振動頻率比下，隔振效率的變幅都呈現(xiàn)正向變化，且隨著振動頻率的頻率比的增加，優(yōu)化前后的隔振效率變幅逐步加大，可見，靜態(tài)承載力密度對于隔振措施影響較大。

表6 優(yōu)化前后隔振效果對比分析

3.4 擾動轉(zhuǎn)速及隔振溝深度對振動影響分析

考慮機電設(shè)備擾動轉(zhuǎn)速以及隔振溝深度對于振動位移和速度幅值的影響，對不同機電設(shè)備擾動轉(zhuǎn)速以及不同隔振溝深度變化下的位移和速度幅值變化曲線進行數(shù)值模擬分析，分析結(jié)果如圖2—3所示。

從位移和速度變化幅值隨擾動轉(zhuǎn)速變化曲線的總體變化趨勢可看出，隨著擾動轉(zhuǎn)速頻率的遞增，其各位移和速度變化幅值逐步減小，呈現(xiàn)遞減變化趨勢，對于較為精密的水電廠機電設(shè)備而言，需要重點注意低頻段振動頻率的影響。對于距離隔振溝較為接近的區(qū)域，擾動轉(zhuǎn)速對位移和速度變幅的影響較大，隨著距離的遞增，其擾動轉(zhuǎn)速對位移和速度變幅的影響逐步減小。從圖3中可看出，當機電設(shè)備采取隔振措施達到穩(wěn)定振動的頻率后，隨著隔振設(shè)備和機電動力設(shè)備之間距離的遞增，水平方向的位移和速度變幅呈現(xiàn)先遞增后遞減的變化趨勢，而在豎直方向，這種變化趨勢較小。隨著隔振溝深度的增加，振動效果逐步遞增，但在有的區(qū)域，隔振溝對振動產(chǎn)生一定負向變化的影響，因此對于振動頻率不高的機電設(shè)備，應(yīng)該采用設(shè)置連續(xù)空溝進行隔振措施的實施。

圖2 位移和速度幅值隨擾力轉(zhuǎn)速的變化曲線

圖3 位移和速度幅值隨隔振深度的變化曲線

3.5 振動衰減規(guī)律分析

對振動措施下隔振點的衰減規(guī)律進行分析，分析結(jié)果見表7。

從表7中各頻率下的振動衰減規(guī)律的整體分析結(jié)果可看出，無論隔振溝和機電動力設(shè)備距離的遠近，都具有較為相似的隔振效率衰減規(guī)律，距離隔振溝較遠的隔振點，其振幅變化較大，且隨著隔振溝距離的遞增，其隔振點的衰減變幅呈現(xiàn)一定的遞增變化趨勢。從兩個衰減點的變化可看出，隔振措施在深度方向的衰減要比其水平方向的衰減變幅要大，這主要是因為能量波的傳播范圍，因此可將需要避免隔振的設(shè)備位于隔振溝20m的距離范圍內(nèi)，保障其隔振的性能。

表7 隔振前后振動衰減規(guī)律分析結(jié)果

4 主要結(jié)論

(1)在同一隔振溝位置下，隨著隔振溝深度的遞增，其自振頻率變化較小，隔振措施體系對高頻域的隔振效果影響較為顯著，考慮到彈簧阻尼范圍的影響，自振頻率應(yīng)選擇在3.5～4.0Hz較為適宜；

(2)考慮到水電站廠房機電設(shè)備擾動頻率的影響，在建設(shè)許可的范圍內(nèi)，應(yīng)盡量將隔振體系的基礎(chǔ)頻率遠離擾動頻率范圍，提高隔振措施的隔振性能；

(3)考慮到隔振措施的安裝應(yīng)是分階段實施的，在以后的研究中還需要對機電設(shè)備安裝的各個階段均進行隔振效果的測試，使得機電設(shè)備隔振措施的效果達到最佳。