大藤峽水利樞紐大跨度廠房內源振動結構動力分析

李 帥,謝濟安2

(1.中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130021;2.廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司,廣西 桂平 537226)

機組振動穩定性是目前水電機組設計制造和運行管理領域的一個重要課題,尤其是對于擔任電網調峰調頻骨干作用和運行水頭變幅大的水電工程,運行條件更加不利,振動問題更加突出,機組投產后出現的振動、噪音將嚴重地危及建筑物結構安全和運行人員的身心健康[1-3]。國內大中型水電站廠房結構設計中雖已開展大量研究工作[4-9],但受制于機組耦合動力的特殊性,現階段尚未形成統一可行的通用理論計算方法予以借鑒參考[10]。相較國內同類工程,大藤峽水利樞紐發電廠房軸流式水輪發電機組轉輪直徑10.42 m,混凝土蝸殼進口最大凈寬度30.62 m,最大高度16.26 m;相較葛洲壩水電站蝸殼進口凈尺寸31.20 m、最大凈高15.85 m,銀盤水電站蝸殼進口凈尺寸24.98 m、最大凈高14.04 m等同類型電站而言,大藤峽發電廠房結構空腔更加大,內源振動帶來的廠房結構動力問題不容忽視,常規計算方法無法準確模擬三維空間結構的實際承載狀態。因此,開展大藤峽水利樞紐發電廠房內源振動作用下的結構動力研究,對保證廠房安全運行是十分必要的。

1 工程概況

大藤峽水利樞紐位于珠江流域西江水系的黔江河段,隸屬于紅水河水電基地綜合利用規劃10個梯級之一,壩址位于廣西桂平市黔江彩虹橋上游6.6 km處。樞紐工程任務為防洪、航運、發電、補水壓咸、灌溉等綜合利用。工程為Ⅰ等大(1)型工程,主要由黔江混凝土主壩(擋水壩段、泄水閘壩段、廠房壩段等)、黔江副壩和南木江副壩等組成。樞紐河床式廠房分設于黔江主壩兩岸,左岸廠房布置3臺機組,右岸廠房布置5臺機組,共安裝8臺單機容量為200 MW的軸流式水輪發電機組,總裝機容量為1 600 MW。

2 計算模型

大藤峽水利樞紐河床式廠房各機組段結構基本相同,選取左岸廠房中間機組段(7號機組段)結構作為典型開展三維有限元計算。數值計算采用有限單元法,計算模型模擬單臺機組混凝土結構以及尾水管圓錐段和肘管段鋼襯、座環及其立柱結構、機坑里襯等金屬結構。發電廠房蝸殼、機墩、風罩采用C30混凝土,其余混凝土采用C25混凝土,混凝土結構連接按整體考慮,外邊界均為自由。有限元計算中廠房結構阻尼比取為0.05,各材料的力學參數見表1。

表1 大藤峽水利樞紐工程發電廠房主要結構材料參數

計算模型的總體坐標系取Z軸為垂直豎向,以機組的安裝高程19.40 m為原點,向上為正。X、Y軸為水平坐標,以機組中心為原點,X軸為橫向,正方向指向下游側;Y軸為縱向,正方向指向左側。整體計算模型的結點總數為190 525,單元總數為156 505,模型網格劃分時,根據構件的特征,分別選用塊體單元、板單元、梁單元、二力桿單元等,來模擬大體積混凝土結構和巖石結構、樓板結構、梁柱結構及屋架結構等,并利用質量單元模擬主要機械設備的質量及動力計算中動水壓力引起的附加質量。考慮到地基的彈性耦聯作用,計算中考慮地基深度及四周各1倍建筑物高度范圍巖石基礎,巖石基礎底邊界固定,四周邊界法向約束。模型整體有限元模型網格剖分見圖1。

圖1 全模型整體有限元模型網格剖分

3 固有振動特性分析

3.1 機組運行振源及其頻率特征

結合水輪機模型試驗成果、機組設計及運行特性,水輪發電機組的主要振源頻率特性可以歸納為機械振動、電磁振動及水力振動,見表2。

表2 大藤峽水利樞紐工程發電廠房機組運行振源及其頻率特征

3.2 廠房結構自振頻率及其振型

廠房結構自振頻率計算時均采用無質量地基方法,整體結構計算時采用圖1所示的整體計算模型,單體結構計算時,僅考慮除計算的單體結構外的其余結構的約束作用,約束結構質量賦值為零。

廠房整體結構前30階振型的自振頻率位于1.86～10.11 Hz,見表3;各階振型均表現為廠房上部結構的水平向振動和上、下游閘墩的縱向振動。廠房重要單體結構自振頻率匯總見表4。風罩結構前10階振型的自振頻率位于28.78～82.34 Hz,豎向主振型出現在第5階,自振頻率為61.92 Hz;機墩結構前10階振型的自振頻率位于21.01～71.09 Hz,豎向主振型則出現在第3階,自振頻率為44.01 Hz;混凝土蝸殼結構前10階振型的自振頻率位于6.06～29.89 Hz,表現為整體或局部的振動。

表3 大藤峽水利樞紐工程發電廠房整體結構自振頻率 單位：Hz

表4 大藤峽水利樞紐工程發電廠房重要單體自振頻率 單位：Hz

3.3 共振復核

廠房結構的頻率十分密集,且多為上、下游閘墩的局部及上部結構整體的振型;機組運行中的振源特性十分復雜,可能出現的振源頻率從低頻(0.23 Hz)到高頻(100 Hz)的分布極廣。廠房動力設計中難以完全錯開所有的共振區間,只能從可能出現的振源頻率和結構基本頻率的共振復核著眼,解決主要矛盾。本工程共振復核以《水電站廠房設計規范》[11]為依據,結構自振頻率和干擾振源頻率的錯開度應大于20%。

經廠房整體、單體結構自振頻率與振源頻率對比,廠房整體結構前3階頻率與2倍轉速頻率、第2～5階頻率與飛逸轉頻、第12～15階頻率與轉輪葉片數頻率遇合。廠房單體結構蝸殼混凝土結構第1階、第3～4階自振頻率與水輪機轉輪葉片數頻率及其倍頻,風罩結構的第1～7階、機墩結構的第2～7階、蝸殼結構第7～10階自振頻率與導葉數頻率及其倍頻,風罩結構的第2～5階,機墩結構的第3～6階自振頻率與電磁頻率的錯開度也較小。

由于2倍轉速頻率的出現概率較低、飛逸工況屬于瞬時過渡過程、電磁振動多發于短路事故,故以上3種工況中頻率遇合均為小概率事件,持續時間較短,不會引起結構的持續振動;另外,導葉數頻率、轉輪葉片數頻率均由不均勻水流產生,對于軸流式水輪機而言,導葉出水邊與轉輪出口的距離可有效調整該不均勻水流,對整體結構影響較小。經分析,上述振源引起的共振危害并不突出,只需在機組運行期對以上振源予以警覺,并結合水輪機模型試驗研究成果加以控制,即可避免不利振動的出現。

綜上所述,發電廠房結構與結構自振頻率和干擾振源頻率擁有足夠的錯開度,結構共振的可能性并不顯著。

4 內源振動荷載作用下廠房結構動力反應計算

4.1 建筑物允許振動標準

綜合考慮國內外已建水電站廠房從建筑結構[12-13]、人體健康[14-15]等方面的振動控制標準,大藤峽水利樞紐發電廠房振動評價標準建議值見表5。樓板從人體健康角度分為健康評價、舒適評價，表中未體現。

表5 大藤峽水利樞紐工程發電廠房振動控制標準建議值

4.2 機組振動荷載作用下廠房結構動力反應計算

水輪發電機組運行時所產生的振動荷載是指通過軸系統及其支承結構傳遞到廠房結構的機組常規振動荷載,包括機械力、電磁力和軸向水推力等,而不包括蝸殼和尾水管中的脈動水壓力。主要有以下3種：①垂直動荷載,包括發電機轉子連軸重、水輪機轉輪連軸重、軸向水推力等;②水平動荷載,包括不平衡磁拉力和機組偏心離心力;③發電機扭矩,發電機運轉時電磁感應引起而作用在定子基礎及機架上的電磁扭矩。

根據發電機基礎受力情況,兩相短路工況和三相短路工況動荷載的差別為作用在定子基礎上的切向動荷載幅值不同,其中兩相短路工況下的較大,故結構動力反應按正常運行、兩相短路及半數磁極短路3種典型代表性工況進行復核計算。其中正常運行工況動位移按規范的要求進行控制,其余偶然組合工況,其動位移可不按規范的要求進行控制。

振動荷載計算采用諧響應分析方法,假定各振動荷載均為簡諧荷載,動態荷載的頻率均為轉頻1.14 Hz,各工況下發電機各基礎板荷載按機組生產廠家提供的受力報告選取。根據有限元計算結果,各工況下發電廠房結構的振動反應值見表6,振動應力值見表7。

表6 大藤峽水利樞紐工程發電廠房機組振動荷載各工況振動反應最大值

表7 大藤峽水利樞紐工程發電廠房機組振動荷載各工況應力最大值

正常運行工況下,下機架基礎處的垂直動荷載較大,廠房結構最大振幅為豎向最大動位移0.180 mm,超過了規范規定的最大振幅值0.150 mm。其原因在于荷載作用點處存在變形集中現象,若將下機架基礎板內的所有節點的豎向振幅進行平均后,豎向振幅值為0.138 mm,小于規范規定的最大振幅值。機組振動荷載作用下,各工況廠房結構最大均方根速度和均方根加速度均小于控制標準建議值。

正常運行工況及半數磁極短路工況下,廠房混凝土結構在機組振動荷載作用下的最大動應力,出現在下機架基礎截面的荷載作用點處的豎向,最大為0.947、1.040 MPa,荷載沿環向均勻對稱性分布,存在局部應力集中現象;各工況廠房結構最大動應力均小于混凝土的動態抗拉強度設計值。

正常運行工況下機架基礎截面豎向動位移分布見圖2,廠房整體結構豎向動位移分布見圖3，下機架基礎截面豎向動應力分布見圖4,廠房整體結構最大動應力分布見圖5。

圖2 下機架基礎截面豎向動位移分布(m)

圖3 廠房整體結構豎向動位移分布(m)

圖5 廠房整體結構最大動應力分布(Pa)

4.3 脈動壓力荷載荷載作用下廠房結構動力反應計算

根據廠房結構的特點和壓力脈動測量數據的特征,本次復核采用諧響應分析法,假設振動為主頻率下的簡諧振動,且蝸殼或尾水管內各測點控制的局部流道的脈動壓力是同幅值、同頻率和同相位的最危險情況,計算了脈動壓力幅值較大、頻率較高的尾水管低頻蝸帶頻率，轉頻頻率，轉輪葉片數頻率和導水葉片數頻率4種工況。

選取各工況下上機架基礎截面、定子基礎截面、下機架基礎截面、蝸殼外圍混凝土、發電機層樓板、上下游墻柱、上游閘墩和副廠房六層樓板等部位進行計算,各工況下的最大振動位移、方向、振動速度和加速度的均方根值、振動拉應力計算結果見表8。

表8 大藤峽水利樞紐工程發電廠房脈動壓力荷載各工況振動反應及應力最大值

計算結果表明,在水輪機流道脈動水壓力作用下,廠房各部位各方向的振動反應較小,均小于本工程擬定的建議值;脈動水壓力幅值和主頻越大,振動反應越大,其中振動位移工況2最大,振動速度、加速度工況4最大,說明脈動水壓力幅值對振動位移的影響較大,脈動水壓力主頻對振動加速度影響較大。廠房混凝土結構最大動拉應力值為0.117 MPa,發生在工況2下上游側與座環上環連接處的豎向,遠小于混凝土的動態抗拉強度。說明在脈動水壓力的作用下,廠房混凝土結構的動應力水平不高。

5 結語

對大藤峽水電站廠房結構開展了內源振動作用下的結構動力分析,論述了廠房整體及重要單體結構的內源振動特性,針對機組振動荷載和流道脈動壓力進行了振動反應計算。結論如下。

a)廠房整體、重要單體結構自振頻率和主要振源頻率均有足夠的錯開度。

b)在機組動荷載及脈動水壓力作用下,廠房結構各典型部位各方向的振動反應值符合各規范規定的建筑物結構振動限制標準、大型機械基礎振動允許標準及操作人員健康控制標準;各工況下,絕大多數構件和部位的動應力水平較低,僅僅在機組支承基礎的局部范圍出現一定程度的應力集中,動應力計算結果滿足鋼筋混凝土結構的動態強度要求。

c)綜合共振復核及廠房結構在機組振動荷載、脈動水壓力作用下的振動反應分析結果,大藤峽水利樞紐不同頻率下的內源振動荷載作用不會對發電廠房的安全運行產生不利影響。