大藤峡水利枢纽大跨度厂房内源振动结构动力分析

李 帅,谢济安2

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021;2.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司,广西 桂平 537226)

机组振动稳定性是目前水电机组设计制造和运行管理领域的一个重要课题,尤其是对于担任电网调峰调频骨干作用和运行水头变幅大的水电工程,运行条件更加不利,振动问题更加突出,机组投产后出现的振动、噪音将严重地危及建筑物结构安全和运行人员的身心健康[1-3]。国内大中型水电站厂房结构设计中虽已开展大量研究工作[4-9],但受制于机组耦合动力的特殊性,现阶段尚未形成统一可行的通用理论计算方法予以借鉴参考[10]。相较国内同类工程,大藤峡水利枢纽发电厂房轴流式水轮发电机组转轮直径10.42 m,混凝土蜗壳进口最大净宽度30.62 m,最大高度16.26 m;相较葛洲坝水电站蜗壳进口净尺寸31.20 m、最大净高15.85 m,银盘水电站蜗壳进口净尺寸24.98 m、最大净高14.04 m等同类型电站而言,大藤峡发电厂房结构空腔更加大,内源振动带来的厂房结构动力问题不容忽视,常规计算方法无法准确模拟三维空间结构的实际承载状态。因此,开展大藤峡水利枢纽发电厂房内源振动作用下的结构动力研究,对保证厂房安全运行是十分必要的。

1 工程概况

大藤峡水利枢纽位于珠江流域西江水系的黔江河段,隶属于红水河水电基地综合利用规划10个梯级之一,坝址位于广西桂平市黔江彩虹桥上游6.6 km处。枢纽工程任务为防洪、航运、发电、补水压咸、灌溉等综合利用。工程为Ⅰ等大(1)型工程,主要由黔江混凝土主坝(挡水坝段、泄水闸坝段、厂房坝段等)、黔江副坝和南木江副坝等组成。枢纽河床式厂房分设于黔江主坝两岸,左岸厂房布置3台机组,右岸厂房布置5台机组,共安装8台单机容量为200 MW的轴流式水轮发电机组,总装机容量为1 600 MW。

2 计算模型

大藤峡水利枢纽河床式厂房各机组段结构基本相同,选取左岸厂房中间机组段(7号机组段)结构作为典型开展三维有限元计算。数值计算采用有限单元法,计算模型模拟单台机组混凝土结构以及尾水管圆锥段和肘管段钢衬、座环及其立柱结构、机坑里衬等金属结构。发电厂房蜗壳、机墩、风罩采用C30混凝土,其余混凝土采用C25混凝土,混凝土结构连接按整体考虑,外边界均为自由。有限元计算中厂房结构阻尼比取为0.05,各材料的力学参数见表1。

表1 大藤峡水利枢纽工程发电厂房主要结构材料参数

计算模型的总体坐标系取Z轴为垂直竖向,以机组的安装高程19.40 m为原点,向上为正。X、Y轴为水平坐标,以机组中心为原点,X轴为横向,正方向指向下游侧;Y轴为纵向,正方向指向左侧。整体计算模型的结点总数为190 525,单元总数为156 505,模型网格划分时,根据构件的特征,分别选用块体单元、板单元、梁单元、二力杆单元等,来模拟大体积混凝土结构和岩石结构、楼板结构、梁柱结构及屋架结构等,并利用质量单元模拟主要机械设备的质量及动力计算中动水压力引起的附加质量。考虑到地基的弹性耦联作用,计算中考虑地基深度及四周各1倍建筑物高度范围岩石基础,岩石基础底边界固定,四周边界法向约束。模型整体有限元模型网格剖分见图1。

图1 全模型整体有限元模型网格剖分

3 固有振动特性分析

3.1 机组运行振源及其频率特征

结合水轮机模型试验成果、机组设计及运行特性,水轮发电机组的主要振源频率特性可以归纳为机械振动、电磁振动及水力振动,见表2。

表2 大藤峡水利枢纽工程发电厂房机组运行振源及其频率特征

3.2 厂房结构自振频率及其振型

厂房结构自振频率计算时均采用无质量地基方法,整体结构计算时采用图1所示的整体计算模型,单体结构计算时,仅考虑除计算的单体结构外的其余结构的约束作用,约束结构质量赋值为零。

厂房整体结构前30阶振型的自振频率位于1.86～10.11 Hz,见表3;各阶振型均表现为厂房上部结构的水平向振动和上、下游闸墩的纵向振动。厂房重要单体结构自振频率汇总见表4。风罩结构前10阶振型的自振频率位于28.78～82.34 Hz,竖向主振型出现在第5阶,自振频率为61.92 Hz;机墩结构前10阶振型的自振频率位于21.01～71.09 Hz,竖向主振型则出现在第3阶,自振频率为44.01 Hz;混凝土蜗壳结构前10阶振型的自振频率位于6.06～29.89 Hz,表现为整体或局部的振动。

表3 大藤峡水利枢纽工程发电厂房整体结构自振频率 单位：Hz

表4 大藤峡水利枢纽工程发电厂房重要单体自振频率 单位：Hz

3.3 共振复核

厂房结构的频率十分密集,且多为上、下游闸墩的局部及上部结构整体的振型;机组运行中的振源特性十分复杂,可能出现的振源频率从低频(0.23 Hz)到高频(100 Hz)的分布极广。厂房动力设计中难以完全错开所有的共振区间,只能从可能出现的振源频率和结构基本频率的共振复核着眼,解决主要矛盾。本工程共振复核以《水电站厂房设计规范》[11]为依据,结构自振频率和干扰振源频率的错开度应大于20%。

经厂房整体、单体结构自振频率与振源频率对比,厂房整体结构前3阶频率与2倍转速频率、第2～5阶频率与飞逸转频、第12～15阶频率与转轮叶片数频率遇合。厂房单体结构蜗壳混凝土结构第1阶、第3～4阶自振频率与水轮机转轮叶片数频率及其倍频,风罩结构的第1～7阶、机墩结构的第2～7阶、蜗壳结构第7～10阶自振频率与导叶数频率及其倍频,风罩结构的第2～5阶,机墩结构的第3～6阶自振频率与电磁频率的错开度也较小。

由于2倍转速频率的出现概率较低、飞逸工况属于瞬时过渡过程、电磁振动多发于短路事故,故以上3种工况中频率遇合均为小概率事件,持续时间较短,不会引起结构的持续振动;另外,导叶数频率、转轮叶片数频率均由不均匀水流产生,对于轴流式水轮机而言,导叶出水边与转轮出口的距离可有效调整该不均匀水流,对整体结构影响较小。经分析,上述振源引起的共振危害并不突出,只需在机组运行期对以上振源予以警觉,并结合水轮机模型试验研究成果加以控制,即可避免不利振动的出现。

综上所述,发电厂房结构与结构自振频率和干扰振源频率拥有足够的错开度,结构共振的可能性并不显著。

4 内源振动荷载作用下厂房结构动力反应计算

4.1 建筑物允许振动标准

综合考虑国内外已建水电站厂房从建筑结构[12-13]、人体健康[14-15]等方面的振动控制标准,大藤峡水利枢纽发电厂房振动评价标准建议值见表5。楼板从人体健康角度分为健康评价、舒适评价，表中未体现。

表5 大藤峡水利枢纽工程发电厂房振动控制标准建议值

4.2 机组振动荷载作用下厂房结构动力反应计算

水轮发电机组运行时所产生的振动荷载是指通过轴系统及其支承结构传递到厂房结构的机组常规振动荷载,包括机械力、电磁力和轴向水推力等,而不包括蜗壳和尾水管中的脉动水压力。主要有以下3种：①垂直动荷载,包括发电机转子连轴重、水轮机转轮连轴重、轴向水推力等;②水平动荷载,包括不平衡磁拉力和机组偏心离心力;③发电机扭矩,发电机运转时电磁感应引起而作用在定子基础及机架上的电磁扭矩。

根据发电机基础受力情况,两相短路工况和三相短路工况动荷载的差别为作用在定子基础上的切向动荷载幅值不同,其中两相短路工况下的较大,故结构动力反应按正常运行、两相短路及半数磁极短路3种典型代表性工况进行复核计算。其中正常运行工况动位移按规范的要求进行控制,其余偶然组合工况,其动位移可不按规范的要求进行控制。

振动荷载计算采用谐响应分析方法,假定各振动荷载均为简谐荷载,动态荷载的频率均为转频1.14 Hz,各工况下发电机各基础板荷载按机组生产厂家提供的受力报告选取。根据有限元计算结果,各工况下发电厂房结构的振动反应值见表6,振动应力值见表7。

表6 大藤峡水利枢纽工程发电厂房机组振动荷载各工况振动反应最大值

表7 大藤峡水利枢纽工程发电厂房机组振动荷载各工况应力最大值

正常运行工况下,下机架基础处的垂直动荷载较大,厂房结构最大振幅为竖向最大动位移0.180 mm,超过了规范规定的最大振幅值0.150 mm。其原因在于荷载作用点处存在变形集中现象,若将下机架基础板内的所有节点的竖向振幅进行平均后,竖向振幅值为0.138 mm,小于规范规定的最大振幅值。机组振动荷载作用下,各工况厂房结构最大均方根速度和均方根加速度均小于控制标准建议值。

正常运行工况及半数磁极短路工况下,厂房混凝土结构在机组振动荷载作用下的最大动应力,出现在下机架基础截面的荷载作用点处的竖向,最大为0.947、1.040 MPa,荷载沿环向均匀对称性分布,存在局部应力集中现象;各工况厂房结构最大动应力均小于混凝土的动态抗拉强度设计值。

正常运行工况下机架基础截面竖向动位移分布见图2,厂房整体结构竖向动位移分布见图3，下机架基础截面竖向动应力分布见图4,厂房整体结构最大动应力分布见图5。

图2 下机架基础截面竖向动位移分布(m)

图3 厂房整体结构竖向动位移分布(m)

图5 厂房整体结构最大动应力分布(Pa)

4.3 脉动压力荷载荷载作用下厂房结构动力反应计算

根据厂房结构的特点和压力脉动测量数据的特征,本次复核采用谐响应分析法,假设振动为主频率下的简谐振动,且蜗壳或尾水管内各测点控制的局部流道的脉动压力是同幅值、同频率和同相位的最危险情况,计算了脉动压力幅值较大、频率较高的尾水管低频蜗带频率，转频频率，转轮叶片数频率和导水叶片数频率4种工况。

选取各工况下上机架基础截面、定子基础截面、下机架基础截面、蜗壳外围混凝土、发电机层楼板、上下游墙柱、上游闸墩和副厂房六层楼板等部位进行计算,各工况下的最大振动位移、方向、振动速度和加速度的均方根值、振动拉应力计算结果见表8。

表8 大藤峡水利枢纽工程发电厂房脉动压力荷载各工况振动反应及应力最大值

计算结果表明,在水轮机流道脉动水压力作用下,厂房各部位各方向的振动反应较小,均小于本工程拟定的建议值;脉动水压力幅值和主频越大,振动反应越大,其中振动位移工况2最大,振动速度、加速度工况4最大,说明脉动水压力幅值对振动位移的影响较大,脉动水压力主频对振动加速度影响较大。厂房混凝土结构最大动拉应力值为0.117 MPa,发生在工况2下上游侧与座环上环连接处的竖向,远小于混凝土的动态抗拉强度。说明在脉动水压力的作用下,厂房混凝土结构的动应力水平不高。

5 结语

对大藤峡水电站厂房结构开展了内源振动作用下的结构动力分析,论述了厂房整体及重要单体结构的内源振动特性,针对机组振动荷载和流道脉动压力进行了振动反应计算。结论如下。

a)厂房整体、重要单体结构自振频率和主要振源频率均有足够的错开度。

b)在机组动荷载及脉动水压力作用下,厂房结构各典型部位各方向的振动反应值符合各规范规定的建筑物结构振动限制标准、大型机械基础振动允许标准及操作人员健康控制标准;各工况下,绝大多数构件和部位的动应力水平较低,仅仅在机组支承基础的局部范围出现一定程度的应力集中,动应力计算结果满足钢筋混凝土结构的动态强度要求。

c)综合共振复核及厂房结构在机组振动荷载、脉动水压力作用下的振动反应分析结果,大藤峡水利枢纽不同频率下的内源振动荷载作用不会对发电厂房的安全运行产生不利影响。