各种动荷载对水电站厂房结构的动力响应影响研究.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.34M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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引言

理论计算的振源频率

实测振源分析

各机主要测点振动最大时的各分频所占的比重情况

各机主要测点各种负荷下各种频率振动统计

分频振动随负荷变化分析

结论

参考文献

各种动荷载对水电站厂房结构的动力响应影响研究1 http://www.paper.edu.cn 练继建，秦亮，田会静天津大学建筑工程学院，(300072) E-mail：jijilian@tju.edu.cn 摘要：本文根据水电站厂房机组正常运行时的水压脉动及振动响应原型观测资料，结合振源频率的理论计算对实测信号进行处理，分别统计出主要测点在全体所测负荷工况下的各种频带能量所引起的振动占总振动响应的百分比、主要测点振动达到最大值时的各分频所占的比重情况、各种分频振动随负荷的变化等情况，该统计结果有助于从量级上评估水电站厂房振动问题中的各种动荷载的作用效果。关键词：水电站、振动响应、振源、动荷载 1. 引言水电站运行时厂房中的动荷载种类多，并且就算是同一种荷载随工况的变化相差也很大，有些荷载的产生及作用机理至今尚不十分清晰。所以在缺乏详尽的实测资料的情况下对水电站厂房振动问题中的各种动荷载所可能引起的响应程度一直难以估计。本文根据李家峡双排机水电站真机试验原观资料，结合理论计算频率与实际测试功率谱分析情况对所测得的通频振动信号进行分段滤波分析，得出各种主要频带的动力响应情况，希望该成果能有助于工程上对各种动荷载的作用效果有一个量级上的认识。李家峡水电站是黄河上游的大型梯级水电站之一。单机 400MW 、总装机容量 2000MW(5*400MW)的李家峡水电站双排机主厂房布置形式在我国为首次采用，其单机和总装机容量均为世界上已建和在建的双排机厂房中最大的一个[1]。自运行以来，李家峡电站一直存在较明显的振动现象。2003 年，天津大学进行了黄河李家峡水电站双排机厂房真机试验，对李家峡机组及厂房结构进行了大规模测试，总计 122 通道，165 种工况。如此大规模的现场原型观测，属国内之最，世所罕有[2]。 2. 理论计算的振源频率水电站厂房结构的振动，主要来自与水轮发电机组的振动，水轮发电机组的振动可以分为水力、机械、电磁三大类。由于机组的振动复杂，影响因素很多，所以至今为止还不能完全对该三大类原因引起的具体振动荷载成分作准确的理论分析。下面先列出已有的理论成果计算出的李家峡水电站厂房内的主要振源频率[3]。 1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(项目编号：20020056029)资助 - 1 -

表 1 李家峡水电站厂房内振源频率 http://www.paper.edu.cn 振动原因主轴偏心转动与固定部分碰撞轴承间隙过大；主轴过细主轴法兰、推力轴承安装不良、轴曲尾水涡带及叶片气蚀振动导叶与转轮叶片冲击蜗壳不均匀流场导叶水流不均匀压力管道的水击卡门涡列水轮机内的自激振动不均衡磁拉力定子极频振动发电机定子与转子气隙不对称定子线圈短路发电机定子铁心、机座合缝不严激振频率（Hz） 2.0833；3.8833 2.0833；3.8833 2.0833；3.8833 2.0833；3.8833 0.5787；100；200；300 541.667 27.0833 41.667 2.463；3.012 80；115；150 1.042；4.1667；6.250；8.333 2.083;4.166;6.249;8.333 100 2.0833；4.1667 2.0833 50～100 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 3. 实测振源分析利用测试信号分析振源频率的手段除直接在时域中观察过程线外，最主要的就是功率谱分析。从功率谱图上经分析可以看出在绝大多数工况下，大部分测点的振动主频率为 0.59Hz，即对应着低频涡带的频率。此外，较明显的主频还有机组的转频振动 2.10Hz。对各台机在各种负荷下的各测点振动频率进行全面的统计分析，主要振源频率为 0.58、 0.78、0.98、1.57、1.76、1.96、2.15、3.13、3.72、3.91、6.85、7.43、7.63、7.83、8.02、 8.4、8.6、9.4、9.98、10.37、10.56、10.96、11.54、11.93、11.94、12.52、13.5、13.9、 14.48、16.82、17.02、17.61、19.37、21.32、21.9、22.5、23.28、27.19、27.2、29.74、 39.52、39.71、41.67、49.88、50、64.95、65.73、71.99Hz 等等。根据前面的理论计算再结合功率谱图对如此多的频率成分进行分类分析。0.5～1.8 之间的振动频率可能包括尾水涡带、涡带的倍频、油膜半速涡动等，但结合机组测试中的尾水管脉动分析认为，该区间的振动主要是由尾水低频脉动所引起频率。而 1.9～2.2 之间的为机组的转频，转频成因比较复杂，大部分情况是机组的机械离心力与不平衡磁拉力振动引起，但 2 号机 60～120MW 负荷之间有较强烈的接近转频的水压脉动，所以对于 2 号机在该负荷区间水力原因也是转频振动的振源之一。从 3～24Hz 的振动主要在各台机组的低负荷段出现，可能主要是由于小流量导叶动静干涉或叶道涡等，也可能包括转频的倍频；而 27～30Hz 之间则为蜗壳不均匀流场所引起的振动；39～42Hz 区间为导叶不均匀流引起；50Hz 附近的频率应该主要是电磁振动频率；50Hz 以上也主要是水力原因引起，可能包括卡门涡等的频率。理论计算所得的卡门涡频率与导叶与转轮叶片冲击振动频率较高，如不与局部结构发生共振不太可能引起厂房结构的较大振动，并且采样频率 200Hz，只能准确分辨到 80Hz 以内的频率，所以不进行分析。 - 2 -

http://www.paper.edu.cn 综合以上分析，将所测数据分成几个频率段进行分析。如下表所示：表 2 实测频率成因划分（Hz）分频成分尾水涡带转频动静干涉蜗壳不均匀流导叶不均匀流电磁其它频率范围 0. 5～1.8 1.9～2.2 3～24 27～30 39～42 49～51 64～73 4. 各机主要测点振动最大时的各分频所占的比重情况首先来看一号机机墩顶部各向振动出现最大值各频率成分所占的比重情况。图 1 一号机机墩顶部水平顺河向振动图 2 一号机机墩顶部水平横河向振动水平顺河向振动最大值标准差值为 7.6934 微米，出现在负荷 40MW 时，从图中可以看出各成分所占的比例情况，由于是在小负荷工况下出现最大值，所以导叶不均匀流动静干涉等所占比重较大。而对应该点的功率谱图主频为 0.59Hz，是典型的尾水涡带的频率，虽然尾水涡带频率，转频较为突出，但蜗壳不均匀流场，导叶不均匀流动等成分所占频带较宽，所以所引起的振动是完全有可能大于转频的。 1 号机机墩顶部水平横河向振动最大值 11.788 微米，与顺河向不同，其最大值出现的工况不是小负荷时，而是满负荷，从饼状图中可以看出尾水涡带等低频成分所占的比重最大，由于接近设计工况，所以导叶不均匀流，动静干涉等成分所占比重较小；大于 50Hz 的高频成分增加较多，在高负荷时卡门涡振动增强是符合规律的。图 3 一号机机墩顶部垂向振动图 4 二号机机墩顶部水平顺河向振动 - 3 -

http://www.paper.edu.cn 再来看垂向振动最大情况，标准差 7.6135 微米，出现在 200MW 的中负荷时，涡带频率占最为主要的成分，经过滤波分析单纯由涡带引起的振动就达到 5.243 微米，占 69％，而其它成分所占的比例情况基本正好介于上面的高负荷情况与低负荷情况之间。 2 号机机墩水平顺河向振动最大标准差为 8.0861，负荷 280MW，涡带成分占近 60％，50Hz 以上成分所占比重也较大，而导叶不均匀流转频等相对较少，其总和作用只占振动总能量的 13％。图 5 二号机机墩顶部水平横河向振动图 6 二号机机墩顶部垂向振动二号机的机墩横河向最大值最大值 17.894，出现在负荷为 320MW 的工况。在该工况下，引起机墩横河向振动的主要因素也是尾水涡带成分，同上面的顺河向振动相似，50Hz 以上的其它成分也占重要成分，而其它作用较小。二号机的机墩垂向振动达到最大值时负荷为 80MW，标准差最大值 14.45，从图中可以看出转频所占比重较大，而尾水低频涡带所占成分只有十分之一。但结合 2 号机的尾水脉动分析可知该转频振动主要也是由水力因素所引起，在 80MW 时出现了接近转频的强烈水压脉动，而其它小负荷时常存在的水力因素也起着一定的作用。三号机的机墩顶部三向振动位移达到最大值时各频率成分所占比重规律与 1、2 号机相似，由于篇幅关系具体图例略，所不同的是三号机机墩顶部水平两向振动最大值较小，相对 1、2 号机组在 3 号机的中负荷段动静干涉较为强烈，但低频涡带仍是占主要成分。 5. 各机主要测点各种负荷下各种频率振动统计以上是针对机墩各测点振动最大时的各种分频成分进行分析，下面对所有负荷所有主要测点（包括机墩、下机架基础测点）的振动分频能量占总振动能量的的百分比进行统计。首先来看 1 号机的统计结果，见图 7～13。图中横坐标为分频振动所占总振动的能量比例，共分成 0～0.1，0.1～0.2，0.9～1.0 十段，而纵坐标为在该段能量区间工况测点数所占总统计工况测点数的百分比情况。 - 4 -

http://www.paper.edu.cn 图 7 一号机涡带频率比重情况图 8 一号机转频成分比重图 9 一号机动静干涉成分图 10 一号机蜗壳不均匀流场成分图 11 一号机导叶不均匀流图 12 一号机电磁成分从上面的一组图形可以明显看出涡带所占分频能量的百分比加权最大。除涡带以外，其它所有分频成分没有都没有占振动总能量 70%的工况测点出现。涡带引起的振动能量在大部分情况下占振动总能量的 40～70％，而别的频率成分大部分都占总能量的 10％以内。在来看 2、3 号机的情况，限于篇幅图略。 2 号机涡带所占总能量百分比的加权虽没有 1 图 13 一号机 50Hz 以上高频成分 - 5 -

http://www.paper.edu.cn 号机大，但也明显大于其它频率成分。2 号机没有出现像 1 号机那样只是一种涡带频率就占振动总能量的 80％以上的情况，各能量成分相对比 1 号机均匀一些，转频出现达到 80％以上的成分。最后再来看 3 号机的统计情况，相对于 1、2 号机来说，3 号机涡带成分所占总能量的比重更大。3 台机的统计都表明 50Hz 电磁成分所占的能量比重最小，基本都在 0.1 以内。 6. 分频振动随负荷变化分析对各分频成分振动随负荷的变化进行分析。为了进行比较，将机墩顶部各方向的混频振动总值与分频振动画在同一张图上。为了节省篇幅，对于各台机组只给出涡带和转频随负荷的变化图，并且对于水平向振动，只给出顺河向振动图，但对所有情况都进行分析说明。图 18 一号机涡带成分引起的顺河向振动图 19 一号机涡带成分引起的垂向振动图 20 一号机转频成分引起的顺河向振动图 21 一号机转频成分引起的垂向振动图 18～21 是一号机各种分频成分随负荷的变化图。从图中可以看出涡带引起的振动分量较大，机墩顶部横河向与垂向振动涡带振动分量随负荷的变化与通频振动随负荷的变化规律基本相同。转频振动分量幅值较小，随负荷变化规律性差。动静干涉分量引起的水平向振动规律较差，引起的垂向振动在 200MW 以下较大。蜗壳流场引起的水平横河向与垂向振动也是在 200MW 以下较大，但其引起的水平横河向振动远小于引起的垂向振动和顺河向振动。导叶不均匀流引起的振动规律也较差。电磁振动引起的横河向振动明显呈一条上升的直线，但其幅值很小。50Hz 以上的高频成分引起的水平两向振动与通频振动变化规律相近。对 2 号机各分频成分振动随负荷的变化进行分析。涡带引起的振动分量较大，机墩顶部 - 6 -

http://www.paper.edu.cn 顺河向与横河向振动涡带振动分量随负荷的变化与通频振动随负荷的变化规律基本相同，垂向振动在中高负荷段相近。而转频振动分量在垂向振动的低负荷段与通频振动变化相近，在 80MW 负荷时占有极大的比重，水平顺河向振动在 80MW 时也有明显的突起。动静干涉成分引起的机墩顶部三向振动与通频振动随负荷变化规律都比较相近。蜗壳流场引起的三向振动与 1 号机相近，也是在中低负荷段较大。导叶不均匀流引起的振动也是 250MW 以下较大。电磁振动引起的横河向振动与 1 号机相似也是明显呈一条上升的直线，但其幅值很小。50Hz 以上的高频成分引起的水平两向及垂向振动与通频振动变化规律都相近。对 3 号机各分频成分振动随负荷的变化进行分析。涡带引起的振动分量较大，机墩顶部顺河向、横河向及垂向振动涡带振动分量随负荷的变化与通频振动随负荷的变化规律基本相同。转频振动分量随负荷变化规律与通频振动变化相关性不大，并且自身随负荷的变化规律性也较差。动静干涉成分引起的机墩顶部水平两向振动与通频振动随负荷变化规律都比较相近。蜗壳流场与导叶不均匀流与通频振动随负荷变化规律性不强，但自身都是 250MW 以下负荷较大。电磁振动引起的横河向振动与 1、2 号机相似也是明显呈一条上升的直线，但其幅值很小，看来电磁振动对横河向振动的规律应该是相同的，即随负荷增加而增加，考虑横河向测点的位置，可能是负荷增大，扭矩的波动也增加。50Hz 以上的高频成分引起的水平两向及垂向振动与通频振动变化规律都相近。 7. 结论本文根据水电站厂房机组正常运行时的水压脉动及振动响应原型观测资料，结合振源频率的理论计算对实测信号进行处理分析，得出结论：主要测点振动达到最大值时的各分频中涡带所占的比重最大，尤其对于垂向振动；主要测点在全体所测负荷工况下的各种频带能量所引起的振动占总振动响应的百分比统计结果也显示涡带对振动的作用最为强烈；并从各种分频振动随负荷的变化可以看出在很多情况下，涡带引起的振动随负荷的变化与通频振动随负荷规律相当。并且文中的统计结果有助于从量级上评估水电站厂房振动问题中的各种动荷载的作用效果。参考文献 [1] 杨建华，毛国权，李家峡水电站首次采用双排机组厂房布置的可行性分析[J]，水力发电，1993（4）， [2] 练继建，秦亮等，黄河李家峡水电站双排机组真机试验研究[R], 2004.3。 [3] 练继建，秦亮等，双排机水电站厂房结构动力特性研究[J]，水力发电学报，2004，85（2），55-60。 5-8。 - 7 -

Study on dynamic response influence of hydropower station plant structure by various dynamic loads http://www.paper.edu.cn LIAN Jijian，QIN Liang，TIANHuijing Civil Engineering School, Tianjin University Abstract The paper deals with prototype observation data of fluctuating pressure and vibratory response during normal operation of hydroelectric station. Observed signal is analyzed according to the theoretical calculation of vibration source frequency. The percentage of vibration generated by different frequency range energy of main measuring points under all work condition is calculated. The proportion of frequency is also analyzed when the vibration of main measuring points is maximum. Different frequency vibration with load variation is obtained. The statistical results can be used for evaluating effect of various dynamic loads from magnitude related to the vibration of hydropower station plant. Keywords：hydropower station, vibratory response, vibration source, dynamic load - 8 -

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