基于ANSYS模拟水电站厂房各结构部位受相邻机组段振动影响分析

(水利部长江水利委员会综合管理中心，湖北 武汉 430010)

现代化的大型水电站装机容量大、水头高、跨度大、边墙高、地下厂房多交叉，结构复杂，水电站厂房的振动问题影响了水电站厂房及机组的安全平稳运行。

振动问题概括为两大类:一类是机组机械振动,一类是厂房各结构部位振动。水电站的振动问题对水电站自身的安全运行与现场工作人员的健康都会造成严重的不利影响。白冰等人通过研究不同水头工况下的实测数据，发现相邻机组段振动在高、低两种水头时振动较大[2]。宋志强等人借助有限元软件研究了水电站机墩在各种动荷载作用下的振幅和应力，表明水电厂房上部框架结构自振频率与机组转频相差不大导致共振的概率较大，提出了具体修改建议[3]。尚银磊等人从厂房结构振源、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[1]。

1 工程概况

湖北隔河岩水电站共装有4台混流式水轮发电机组，电站装机容量1200MW。引水发电系统主要由进水口、压力管道、主厂房、主变压器洞室、尾调室、尾水洞及地面开关站组成，进水底高程142.5m，塔顶部高程120m，结构型式为塔式[1]。该水电站的任务包括调频、调峰和事故备用，是国家电网重点电源点，保证了国家电网的正常运行。在实际运行中发现，厂房各结构部位受相邻机组段振动影响较大，为了保证水电站安全运行，有必要对厂房各结构部位的振动进行研究，图1为水电站各部位振动测点布置图。

2 ANSYS有限元软件介绍及建模

ANSYS有限元软件功能强大，内置多种材料的本构模型、强度失效准则，可以模拟任意几何形状的材料单元[2]。ANSYS有限元软件分析步骤如下：ⓐ根据材料参数建立模型；ⓑ施加荷载和边界条件；ⓒ调出数值计算结果[1]。本文借助ANSYS建立模型，使用solid45实体单元以及mass21质点单元，重点研究水电站厂房下部结构。

地下式水电站厂房边界底部全约束位移为0，模型X向、Y向、Z向分别为垂向方向、横河向方向、顺河向方向。图2为相邻机组段处竖向加载有限元模型图。距机组中心31m处，为垂直动荷载1000tf量级的加载中心，模拟对象上设置50个节点，分布1000tf的等效加载力，模型单元总数为116565，节点总数为109360。

图2 邻机组段处加载有限元模型

数值模拟分析时采用理想化思想，认为围岩材料以及混凝土结构保持各向线弹同性，混凝土和岩石动弹性模量设置为静弹性模量的1.4倍，将厂房结构和岩石的阻尼比设置为0.04[4]。激振频率范围为0～120Hz，间隔为2.35Hz转频，下表为水电站厂房下部结构材料参数。

水电站厂房下部结构材料参数表

对相邻机组段基岩位置处加各向简谐荷载，可以求得各水电站厂房下部结构的振动幅值。将加载中心处节点的实际振幅设为基准参考值，其他结构部位均以此为基准进行比例转化，以此绘制出厂房各结构部位振动幅值变化曲线图[5]。

3 各部位振动影响分析

3.1 下机架基础部位振动影响分析

图3为三向加载下下机架基础振幅随频率变化曲线。

图3 三向加载下下机架基础振幅随频率变化曲线

通过对比图3三向加载下下机架基础振幅随频率变化曲线可知，顺河向加载对相邻机组段下机架基础振动的影响最小，横河向及垂向加载影响最大。垂直Z向加载时，下机架基础垂直Z向以及顺水Y向振幅值在约30Hz振动频率带有0.25的振幅比值，此处的振幅值较大，说明下机架基础结构出现较大振动时相邻机组段位置处可能产生某些频率范围的垂向激振荷载。横河X向加载时，机架基础受振动影响最明显部位出现在加载方向水平垂直的顺河向，此时振幅比值增加到0.30，Z向振幅比值达到0.20，而与加载方向相同的X向无明显变化。顺河向(Y向)加载时，与加载方向水平垂直的横河向(X向)机架基础振幅变化较为显著，但相对另外两种加载方向还是偏小，振幅比值只有0.20，而对与加载方向相同的Y向几乎无影响。

3.2 风罩振动影响分析

由图4三向加载下风罩振幅随频率变化曲线可知，受到相邻机组段振动影响，风罩结构部位振幅比值在0.30～0.35范围内的加载频率可以认为是三向振动优势频率。15Hz、30Hz、60Hz的频率处风罩结构部位的振动较大。说明影响风罩振动幅值变化的一个重要因素是蜗壳不均匀流场诱发的激振频率(30.96Hz)。

图4 三向加载下风罩振幅随频率变化曲线

加载方向垂直Z向时，垂直Z向风罩的振幅较大，表明此时Z向振动受到显著影响。顺河向加载时，Y向振动在60Hz范围内振荡也比较明显，横河X向加载水平X、Y两个方向风罩结构在15Hz、60Hz产生0.27的较大振幅峰值。当顺河Y向加载时，风罩结构的Y向振动最大振幅将近0.40。表明相同方向加载下风罩结构各向的振动较为显著，尤其Y向振动幅度较大。

3.3 楼板振动影响分析

图5为三向加载下楼板振幅随频率变化曲线，从中可知，三向加载下楼板结构优势频率对应的幅值大约在0.30上下，楼板Z向达到了最大振幅，约0.40。原因在于楼板垂直Z向为自由临空方向，受条件约束较少，因此楼板Z向振动幅值较大。

图5 三向加载下楼板振幅随频率变化曲线

30Hz、60Hz、90Hz等中高频率附近振动对风罩结构部位各方向振动影响均较大，说明蜗壳不均匀流诱发的激振频率(30.96Hz)是相邻机组段楼板结构振动变化时所对应的重要频率。加载方向垂直Z方向时，楼板振幅较其他两个方向较大，此时垂向振动最剧烈。加载激振荷载方向为横河X向、顺河Y向，不仅导致楼板垂直Z向振幅较大，与加载方向同向的振幅值也不小。说明邻机组段激振荷载对楼板结构和与之方向相同的振动方向产生的幅值振动影响均较大。原因在于楼板垂直Z向约束条件较少，受三向激振荷载振动影响较大。

3.4 梁振动影响分析

图6为三向加载下梁结构振幅随频率变化曲线，从中可知，在三向振动影响下梁结构各向振动幅值的最大值范围为0.30～0.40。15Hz、30Hz、50Hz等中高频率段的激振频率为优势频率，此时的梁结构部位振动较大。加载方向垂直Z向时，楼板最大振幅方向垂直Z方向，说明楼板垂向振动最大影响因素来自相

图6 三向加载下梁结构振幅随频率变化曲线邻机组段垂向振动，此时的振幅约0.40。当加载方向为横河X向时，相邻机组段振动对梁结构的横河X向振幅影响较大。当水平顺河Y向加载时，梁Y向振动最大。说明激振荷载对相邻机组段梁结构与加载同向的振动方向振动影响最大。

4 结 论

三向加载下下机架基础、风罩、楼板、梁振幅随频率变化的数值模拟结果表明，蜗壳不均匀流诱发的激振频率是机组段间各结构部位振动变化所对应的优势频率。

[1] 尚银磊,李德玉,欧阳金惠.大型水电站厂房振动问题研究综述[J].中国水利水电科学研究院学报,2016(1):48-52，59.

[2] 白冰.水电站厂房多机组段振动相互影响研究[D].天津：天津大学,2016.

[3] 宋志强,马震岳,陈婧,等.龙头石水电站厂房振动分析[J].水利学报,2008(8):916-921.

[4] 曹伟,张运良,马震岳,等.厂顶溢流式水电站厂房振动分析[J].水利学报,2007(9):1090-1095.

[5] 陈婧,马震岳,刘志明,等.三峡水电站主厂房振动分析[J].水力发电学报,2004(5):36-39,21.