水电站机电设备隔振措施分析

张全利

(辽宁省水资源管理集团，辽宁 沈阳 110000)

水电站厂房的机电设备由于受到动力荷载及水动力荷载的综合影响，在运行过程中水电站厂房振动较为明显[1]。振动会对厂房的机电设备产生不同程度的影响，使得机组产生误停机现象[2]。因此需要对厂房机电设备的隔振措施进行分析，提高机电设备的运行效率[3]。当前，国内学者对于机电设备的隔振措施进行了相关研究，取得一定的研究成果[4- 8]，这些研究成果表明弹簧阻尼隔振措施在机电设备隔振措施实施中具有隔振效果好，使用期限长的特点。但是由于水电厂设备运行的特殊性，其机电设备的静态承载力密度对其振动影响较大[9]，需要对机电设备静态承载力密度进行结构优化，从而提高隔振措施的应用效果。本文结合数值模拟方法，对辽宁省某水电厂厂房的机电设备进行静态承载力密度的优化，并对比优化前后隔振措施的效果，提出最佳的隔振措施。

1 机电设备隔振理论

其主要理论为弹簧阻尼理论进行水电厂厂房机电设备的隔振研究，将一定刚度和质量的混凝土板放置在弹簧阻尼器上进行隔振，该理论假定基础为刚体结构，结合粘滞阻尼进行隔振阻尼力计算，结合动力学方程对其浮动装置运动方程计算，计算方程为：

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

(1)

式中，v(t)—运动位移，mm；vg(t)—运动荷载；m—质量块动能系数；c—阻尼系数；k—刚度系数。

在运动方程计算的基础上，对其浮动装置的稳定相对位移进行计算，计算方程为：

(2)

(3)

方程中的变量与上述方程变量含义相同。

在静态相对位移计算的基础上，需要对振幅传导力进行计算，计算方程为：

(4)

式中，vtmax—浮动装置在隔振措施下的最大相对位移，mm。

2 计算模型建立

选取辽宁地区某坝后式水电站厂房为研究实例，该水电站厂房内有4个水轮发电机组，各机组的额定频率为1.48HZ，对各厂房的机组设备进行隔振措施的分析，建立相关分析模型。模型构建主要包括几何参数、物理参数以及隔振器的阻尼比和刚度。

2.1 几何参数

采用T型结构进行隔振底座的方案设计，由于底座质量重心较高，因此增加其底座腹部的质量，且加大其底座与中心之间的距离，因此采用单个隔振器的容重为1.4t/m3，其台座表面为钢板，单个隔振器示意如图1所示。

图1 单个隔振器示意图

2.2 物理参数

(1)浮动装置的质量为3t，质量中心的高度为3.5m，其惯性矩结构见表1。

表1 隔振浮动装置的惯性矩结构

(2)隔振器刚度设置

为提高隔振器的效果，采用空气弹簧的方式进行隔振器刚度的设置，共设置10个空气弹簧，每个隔振器刚度设置方程为：

Kzi=Kxi=Kyi=1145.3N/cm

(5)

(3)隔振器阻尼比设置

设置隔振器Z方向的阻尼系数为1.5，其他方向均为1.2。

3 模型计算结果

3.1 自振动频率分析

结合现场试验的方式对隔振措施下的机电设备的自振动频率进行分析，分析结果见表2。

表2 隔振措施下自振动频率周期分析

从各方向的自振动频率周期分析结果可看出，3和6阶两个自振动频率周期变化不大，其他阶数较这两个阶数自振动频率周期变化性较大，这主要是因为其基底的底座并未和实际情况完全吻合，其竖直方向具有一定的偏差，考虑到底座的基础作用和其自振频率的相关度不高，使得基础底座不同阶数下扭转速度对自振频率周期性影响也不大，因此增加基础底座的刚性强度，对其振动影响不大，需要进行隔振措施处理，提高其基础底座的抗振性能。

3.2 扰动频率对振动影响分析

分析不同方向各扰动频率对其机电设备底座的隔振输出幅值和隔振效率，结果见表3—5。

表3 频域内X方向振动输入时的振动输出幅值

表4 频域内Y方向振动输入时的振动输出幅值

从表中可看出，在不同干扰的频域范围内，经过隔振措施后，X方向、Y方向以及Z方向的隔振效率均值分别减少75.1%、79.8%以及81.2%，从安全角度考虑，采用隔振措施后，其机电设备的工台台面的最大振幅输出值为8.35um/s，也同样在在振动允许的规范值内。在不同干扰频域范围内，采用隔振措施后，振动频率较为集中的频域内，且振动明显递减，且随着干扰频率的递增，机电设备隔振效果越佳。

3.3 隔振效果对比分析

对静态承载力密度优化前后的隔振效果进行对比分析，分析结果见表6。

从表6中可以看出，静态承载力密度对于隔振措施影响较为明显，在静态承载力密度优化气候，不同频率比下，振动频率较优化前有所减少，且随着振动频率和频率比的增加，优化前后的振动频率变幅逐步较大。从优化前后的隔振效率对比结果可看出，相比于静态承载力密度优化前，优化后的隔振效率得到显著提升，各振动频率和振动频率比下，隔振效率的变幅都呈现正向变化，且随着振动频率的频率比的增加，优化前后的隔振效率变幅逐步加大，可见，静态承载力密度对于隔振措施影响较大。

表6 优化前后隔振效果对比分析

3.4 扰动转速及隔振沟深度对振动影响分析

考虑机电设备扰动转速以及隔振沟深度对于振动位移和速度幅值的影响，对不同机电设备扰动转速以及不同隔振沟深度变化下的位移和速度幅值变化曲线进行数值模拟分析，分析结果如图2—3所示。

从位移和速度变化幅值随扰动转速变化曲线的总体变化趋势可看出，随着扰动转速频率的递增，其各位移和速度变化幅值逐步减小，呈现递减变化趋势，对于较为精密的水电厂机电设备而言，需要重点注意低频段振动频率的影响。对于距离隔振沟较为接近的区域，扰动转速对位移和速度变幅的影响较大，随着距离的递增，其扰动转速对位移和速度变幅的影响逐步减小。从图3中可看出，当机电设备采取隔振措施达到稳定振动的频率后，随着隔振设备和机电动力设备之间距离的递增，水平方向的位移和速度变幅呈现先递增后递减的变化趋势，而在竖直方向，这种变化趋势较小。随着隔振沟深度的增加，振动效果逐步递增，但在有的区域，隔振沟对振动产生一定负向变化的影响，因此对于振动频率不高的机电设备，应该采用设置连续空沟进行隔振措施的实施。

图2 位移和速度幅值随扰力转速的变化曲线

图3 位移和速度幅值随隔振深度的变化曲线

3.5 振动衰减规律分析

对振动措施下隔振点的衰减规律进行分析，分析结果见表7。

从表7中各频率下的振动衰减规律的整体分析结果可看出，无论隔振沟和机电动力设备距离的远近，都具有较为相似的隔振效率衰减规律，距离隔振沟较远的隔振点，其振幅变化较大，且随着隔振沟距离的递增，其隔振点的衰减变幅呈现一定的递增变化趋势。从两个衰减点的变化可看出，隔振措施在深度方向的衰减要比其水平方向的衰减变幅要大，这主要是因为能量波的传播范围，因此可将需要避免隔振的设备位于隔振沟20m的距离范围内，保障其隔振的性能。

表7 隔振前后振动衰减规律分析结果

4 主要结论

(1)在同一隔振沟位置下，随着隔振沟深度的递增，其自振频率变化较小，隔振措施体系对高频域的隔振效果影响较为显著，考虑到弹簧阻尼范围的影响，自振频率应选择在3.5～4.0Hz较为适宜；

(2)考虑到水电站厂房机电设备扰动频率的影响，在建设许可的范围内，应尽量将隔振体系的基础频率远离扰动频率范围，提高隔振措施的隔振性能；

(3)考虑到隔振措施的安装应是分阶段实施的，在以后的研究中还需要对机电设备安装的各个阶段均进行隔振效果的测试，使得机电设备隔振措施的效果达到最佳。