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）

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）

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。

自振特性；流固耦合；厂房结构；压力脉动；影响因素

1 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振动而被迫停机［1］。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［2］。已有研究表明［3-6］，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［7］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［8］利用模型试验的实测值并经相似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［9］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主要分为水力、机械和电磁3个方面［10］。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［11-12］，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范围相对较窄的固有特点所决定的［13］。文献［14］进一步研究表明，水力振源中涡带频率成分引起的振动能量占振动总能量的40%-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［15-19］。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，利用谐响应分析方法，将各测点脉动压力载荷作为同相位和均匀分布的简谐力施加在相应的位置，然后将各个测点脉动压力作用下的计算结果叠加，得到厂房结构的振动响应。

以上各压力脉动的处理方式在厂房结构振动响应分析中都取得了比较理想的效果，但是在脉动压力施加过程中的各种假设，还是让计算结果不够精确。在现有大型水轮机组普遍存在水力振动的情况下，如何描述流道压力脉动载荷在厂房结构振动响应计算中的施加方式，这一跨学科的研究目前进展缓慢。另外，在振源传递路径方面也需要进一步的研究。

3 厂房振动的自振特性分析

3.1 自振特性分析 自振特性分析是水电站厂房结构振动研究的基本问题，以往的厂房结构振动研究大多集中于此。通常是先计算出厂房结构前几阶的自振频率，再与机组的激振频率进行共振校核。实践中发现，相对刚度较大的水电站厂房下部楼板结构和立柱结构的自振频率和振型在厂房结构整体模型中很难表现出来，因此借鉴大坝抗震分析中“无质量地基”［22］方法在整体模型中进行局部结构的自振频率计算，即不考虑不作为重点研究对象部分的质量，只考虑它们对研究结构的约束作用。目前在厂房结构抗振设计中，通常按《水电站厂房设计规范》（SL266-2014）［23］规定：“机墩自振频率与强迫振动频率之差和自振频率之比值应大于20%～30%，以防共振。”的规定，通过机墩的自振频率与各类振源的激振频率的比较，进行其共振复核。由于水电站厂房结构十分复杂，相互之间耦合影响，仅仅对机墩结构进行共振校核尚不能全面评价整个厂房结构的振动安全。

虽然厂房结构自振特性分析都是从以上两个方面进行的，但这当中也存在一些问题。首先，自振频率和相应的振型属性相结合进行厂房结构自振特性分析是必要的。水电站厂房结构是一个复杂的多构件组合系统，整体结构的某一阶频率其振型往往表现在某一构件的局部范围内，仅仅以自振频率和激振频率的错开度是否小于30%来判断共振与否是不全面的，应该考虑激振频率作用方向和自振频率相应振型的主振方向是否一致。其次，水电站厂房的楼板上往往布置精密的仪表设施，同时也是人员的工作场所，从仪表正常工作和人员适宜方面对楼板的振幅和振动速度提出了具体的限值要求。要满足这些具体的限值，就必须对楼板结构的振动进行定量分析，了解其振动分布规律，评价其对厂房正常运行及人体的影响。

3.2 自振特性的影响因素 要改善水电站厂房结构的自振特性，优化抗振设计，就必须全面了解厂房结构的自振特性规律和影响因素。而大型水电站厂房是多孔洞交叉的复杂空间结构，边界条件和受力情况都很复杂，自振特性的影响因素也多种多样。

3.2.1 边界条件的合理选取 从水电站厂房结构的自振频率和相应振型可以看出，厂房振动强烈部位大部分是楼板和梁柱结构等薄弱部位。在确定结构尺寸的情况下，上下游边界条件是影响厂房结构自振特性的重要因素。文献［21］分析研究了不同边界条件下厂房结构的自振特性，结果表明，边界条件对结构自振频率和振型的影响较大。具体说来，对地下厂房而言，考虑3倍厂房开挖跨度洞室围岩作用的厂房结构模型，其约束相对较弱，自振频率相对较低，振型多表现为厂房在围岩中的整体振动。将厂房结构四周围岩作用简化为法向弹性约束的模型，其约束作用增强，自振频率提高，低阶频率均表现为楼板的局部振动。在边界节点上加三向固定约束的模型，约束最强，自振频率略有提高。3种边界条件中，三向固定约束过高强调了围岩对厂房结构的约束作用，是不完全合理的。

文献［24］进行了围岩对厂房结构自振频率敏感性分析。结果表明，围岩抗力系数变化对厂房整体结构的基频影响较为明显，对厂房局部结构的基频影响均可忽略。综上可知，边界条件对模型计算结果的影响十分显著，合理的边界条件是保证模型计算结果正确的关键。在模型计算中，采用弹簧单元等效围岩抗力刚度是符合工程实际的，计算结果也是合理的。

3.2.2 流固耦合的影响 大型水电站的蜗壳和尾水管流道系统结构尺寸巨大，流道内流经的大量水体和流道结构的耦合作用，改变了厂房结构的自振特性，使得振动问题更加复杂。流固耦合问题一般可通过其耦合方程来求解［25］，文献［26-27］利用强耦合法，把有限元理论和声场理论结合起来，通过与无流体存在情况下的厂房自振特性进行对比，研究了流固耦合对厂房结构自振特性的影响规律和影响程度。文献［3］采用基于势的流体单元模拟水电站厂房结构流道内的水体，应用数值方法使其与流道结构耦合求解，进而研究水电站厂房结构和流道水体的耦合特性。

研究成果表明，流道内水体对厂房结构自振特性有不同程度的影响，其中对高阶频率的影响最大。考虑流固耦合作用下厂房结构频率值比未考虑流体的频率值偏低，最大降低幅度达到10.20%，出现在自振频率的第21阶［3］。该阶振型主要表现为厂房下部蜗壳和尾水管结构的振动，流道内流体对其振动贡献较大，导致两种状态下频率值差别较大。流道内流体对发电机层以上结构和下游副厂房结构的自振频率无明显影响，主要是因为流道内流体对这部分结构振动参与度低。

3.2.3 其它因素的影响 文献［28］研究了不同楼板结构形式下厂房结构的自振特性，结果表明，在混凝土方量相同的前提下，纯厚板结构高阶自振频率明显高于板梁结构和厚板加圈梁结构，增加楼板厚度有利于大部分区域的楼板抗振。文献［29］针对楼板与上下游墙不同的连接方式对厂房结构自振特性的影响进行研究，结果表明，与楼板和上下游墙固结的方式相比，搭接方式减小了楼板和风罩的水平刚度，致使上部厂房结构和楼板振感较强，不利于厂房结构的抗振。对于水电站机组支承结构而言，模拟范围的变化必然引起结构刚度的变化。为了研究模拟范围对机组支承结构自振特性计算结果的影响，文献［30］从结构动力学推导和有限元计算两个方面进行了分析，分析指出，水电站厂房结构自振特性分析的模型范围应取至尾水管底板。

4 厂房振动的动力响应分析和安全评价

厂房结构自振特性分析中，共振校核只是从厂房局部结构和激励振源是否能产生共振方面对水电站厂房结构振动情况进行定性评价，而且往往由于厂房结构和激励振源的频率分布都非常广泛，导致共振校核的工作难以操作。为了更精确和全面的研究水电站厂房结构的振动情况，对水电站厂房结构进行动力响应分析，计算厂房结构典型部位的位移、应力和振动速度等响应结果是非常必要的。在已有的水电站厂房结构振动特性研究中［31-32］，都进行了动力响应分析工作，通过比较典型部位动力响应值和规范限值，合理评价厂房结构的抗振性能。

4.1 动力响应分析 蜗壳是水轮机重要的过流部件，要有足够的强度和刚度保证安全运行，是水电站中最重要的结构。目前我国大型水电站蜗壳的埋设方式主要有3种，即保压、直埋和垫层。不同的蜗壳埋设方式，钢蜗壳和混凝土之间的约束作用不一样，会对厂房结构振动产生不同程度的影响。文献［33］建立了包括蜗壳在内的三维厂房整体模型，研究蜗壳3种埋设方式的固有振动特性。研究表明，蜗壳埋设方式对水电站厂房结构自振特性的影响很小。文献［34］采用双结点接触非线性模型，计算三峡水电站3种不同蜗壳埋设方式下厂房结构的振动响应，并将计算结果和现场测试结果进行了对比分析。结果表明，计算结果与测试结果在趋势上存在可比性，对于混凝土结构而言，直埋方案的振动响应明显大于垫层方案和保压方案，其中保压方案的振动响应最小。

目前，大型水电站机组和厂房结构原型振动测试越来越被重视，模型计算数据和原型实测数据对比分析将在水电站厂房结构抗振特性研究中发挥越来越重要的作用，文献［8，20，34］对三峡电站厂房结构模型计算数据和原型实测数据进行了对比分析，结果表明，在相同工况条件下，模型计算振动响应的主频、最大值位置和分布规律与实测结果基本一致。通过两者的对比分析，既验证了计算模型荷载施加方式的可行性，也证明了原型实测试验方法和流程的正确性。当然，原型实测数据的可靠性受传感器精度和测试方法等因素的影响，制定科学、统一的水电站厂房结构原型实测试验规范，是保证实测数据可靠性的前提，也是目前亟需解决的问题。

4.2 厂房振动的安全评价 与地震作用引起的结构物振动相比较，水力机械所产生的振动一般不会对厂房结构物本身安全构成威胁，其主要影响发电机层楼板上的控制电站运行的仪器设备和工作人员的人体健康。由于水电站厂房结构振动问题的复杂性，目前国内外对水力引起的厂房结构振动的安全评价还没有统一和系统的规定。文献［35］参考国内外其他行业有关振动的标准，从振动对厂房结构本身、仪器设备和人体健康3个方面进行了三峡电站厂房振动安全评价。

5 展望

大型水电站厂房振动特性分析方面已取得大量研究成果［36-37］，但由于水电站机组和厂房结构相互耦合影响，这些成果在应用到实际工程的过程中还是遇到许多问题和困难。本文作者认为以下几个方面问题的研究对于推进大型水电站厂房振动特性分析的发展具有重要意义：（1）建立符合实际的厂房流道水流-机组-混凝土结构全耦合整体仿真模型，对厂房整体和局部结构进行流固耦合振动分析研究。蜗壳和尾水管流道中的大量水体必然对厂房结构的自振特性产生影响，而流体和固体的耦合作用又加剧了厂房结构的振动。通过全耦合整体仿真模型对厂房结构进行流固耦合分析，必将得到更为符合实际的结构自振频率值，但由于问题的复杂性，这项工作至今未有效开展；（2）深入研究蜗壳和尾水管流道内的水压脉动在大型水电站厂房振动特性分析中的合理作用方式和振源传递路径。在已有的研究成果中，学者们提出多种关于水压脉动在流道内的作用方式，如何评价水压脉动各种作用方式的合理性和正确性，值得进一步研究；（3）重视模型计算和原型观测结果对比分析在水电站厂房振动特性研究中的作用。水电站厂房结构原型观测值反应的是厂房结构在各种荷载共同作用下的综合响应，通过与模型计算结果对比可以判定计算模型的准确性和合理性，为同类型模型的建立提供参考；（4）进行水力振动引起水电站厂房结构振动安全评价标准的研究。由于建筑物振源机理和振动路径等方面的差异，其他行业的标准对于水力因素引起的厂房振动的适用性还有待进一步研究。

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Review on powerhouse self-oscillation characteristics of a large-scale power station

SHANG Yinlei，LI Deyu，OUYANG Jinhui
（Earthquake Engineering Research Center，IWHR，Beijing 100048，China）

With the single-output and size of the hydropower turbines increasing day by day，especially the water head and rotational speed of the pumped storage power station improving continually，the hydraulic stability of the turbines and the structure vibration of the powerhouse as well as other problems have become increasingly prominent.From the three aspects of powerhouse structure vibration source，self-oscillation characteristics and dynamic responses， the powerhouse vibration-related research and application achievement were summarized in this paper.The results show that creating a fluid-solid interaction finite element model is of active significance for the powerhouse self-oscillation characteristics of a large-scale power station.Also，some topics which are worth studying further were proposed.

self-oscillation characteristics；fluid-solid interaction；powerhouse structure；pressure fluctuations；influencing factor

TV731

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.01.008

1672-3031（2016）01-0048-05

（责任编辑：王冰伟）

2015-08-22

水利部公益行业专项（抗行业专项1519）；中国水利水电科学研究院专项（抗基本科研1509）

尚银磊（1990-），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_2011@126.com

李德玉（1962-），教授级高级工程师，主要从事工程抗震研究。E-mail：lideyu@iwhr.com