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红石水电站厂房的机组诱发振动及抗振加固研究

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水力发电学报 2OO2年第l期 JOUP,NkLOFHYDROELEcnMc ENGINEERING 总第76期 红石水电站厂房的机组诱发振动 及抗振加固研究 马震岳 沈成能 王溢波 陈婧 赵德海 (大连理工大学土木建筑学院辽宁省大连市 116024) 路振刚 王广成 戴正 赵纯经 杨琦 (白山发电厂吉林省榫甸市132 ̄4) 提 要 红石水电站机组振动诱发厂房振动.造成厂房立柱开裂。通过系藐的数值分析与试验研 究,结论认为,振源为机组与厂房共振。在此基础上,提出了厂房抗振加周方案 本文对加固 方案进行了计算和试验探讨,从避免共振、提高厂房结构刚强度、以A保证厂房运行安全的目 标出发.提出抗振加固的设计方案,并对实施后舶艘果进行了分析论证。 关t饲厂房共振抗振加固 一、前言 红石水电站为河床式厂房,装机四台,单机容量50MW,轴流定桨式机组,是国内同类 型机组中最大的。机组白运行以来(1985年一1987年始),一直存在较明显的振动,并诱 发厂房和太坝振动。1995年左右jI}现厂房立柱存在水平周边裂缝,下游柱较上游柱明 显,高程在发电机层以上约2.5米处。为确定振源,探讨削减振动和进行结构抗振加固的 措施,首先开展振动故障诊断---,采用丁有限元结构分析、现场振动试验(机组、大坝和厂 房)与结构动力模型试验等分析方法,得到的主要结论有:(1)振动强烈导致厂房主柱开裂 和大坝振动;(2)振动放大机理为机组的机械和流体机构与结构共振;(3)转频与厂房上部 结构基频接近;(4)4倍转频与厂房整体结构和大坝结构的基频接近;(5)补气对清除4倍 转频水压脉动有效。 通过上述工作,认为共振是红石水电站厂房振动故障的主要原因,振动事故处理应主 要遵循以下路线,其一是消除机组振源,改变振源频率,如补气、加设发电机下导轴承等措 施;其二是加固厂房结构,改变其固有频率以错开共振区,同时提高结构刚强度。减小静动 应力。为此.提出了若干厂房上部框架结构加固方案,开展技术经济比较.确定最佳方案。 本文对研究确定的最优方案一发电机层以上厂房上游吊车立柱与上游挡水结构连 接,进行大比尺动力模型试验,同时进行三维有限元分析论证;进行厂房强度分析,校核厂 房在大坝水平推力作用下的应力安全裕度;选择一个机组段进行试验性加固实旗,现场振 动试验加以检验分析。 车文原稿于2fioo年6月5日收到 肇改稿于2oo!年7月I1日收到。 维普资讯 http://www.cqvip.com

马震岳等:红石水电站厂房的机组诱发振动及抗振加固研究 29 二、厂房和大坝连接抗振加固方案 在机组与厂房耦合共振的若干遇台频率中,机组转频(. =1.785Hz)附近厂房的基频 ( 一1.8 )和厂房坝段整体结构基频(4倍转频附近)起控制作用。为避免坝体受力向厂 房传递,同时防止库水向厂房渗透,设计中,在发电机层( 274.94m)以上厂房与挡水建筑 镑阃留设lm宽的空间,将厂坝分离。加固方案主要着眼点是借助大坝刚度提高厂房刚 度,从而提高自振频率,达到一般动力设计中频率错开度大于20%的要求,避开机组转频 的共振区。因此,根据厂房结构特点(见图1),认为采取厂房上游墙柱结构与大坝连接的 加固方案较为可行。 图1 厂房结构空间有限元网格剖分示意图 若采用厂坝连接方案,则在加固后,厂坝连为一体,大坝因温度和水压力的变化而变 形,将对厂房施加水平推拉作用,使厂房变形,导致厂房受力增大。方案选择要兼顾动力 和静力两个方面,既能够避开共振区,又能够满足厂房的强度要求。因此,拟定了不同连 接高程和连接形式的加固方案,见图2。 方案Ⅱ的思想与方案I基本相同,只是在方案I的基础上,再将立柱断面加宽,提高 厂房立柱刚度。连接顶高程的选择是抗振设计的主要变量:连接高程高,厂房掰度提高 大,对抗振有利,但抵抗大坝变形的受力条件恶化;连接高程低,结果相反。方案Ⅲ仅加宽 上游立柱,但不与大坝连接,其目的是为了清除大坝变形对厂房的影响,保持原受力条件 不变。 三、整体模型数值计算成果 在方案比较阶段,效值计算是最为经济有效的方法。取建基面高程VA I-结构。采用三 维有限单元法。屋顶钢桁架和屋面板用杆单元处理,仿真模拟其刚度和重量。有限元罔 格剖分模型如图1所示,由于相对于厂房上部框架结构而言,水轮机层以下为大体积钢筋 混凝土结构,刚度较大,经过分折,证明可以不考虑其弹性作用。 维普资讯 http://www.cqvip.com

llllllllllllllllllllll水力发电学报 (1】平佃方宴(棵I) 口加嗣T日胡莹 : 《期糯 _ ■ 立拄 壤体 玎‘* 辩F连 啪t‘方寨u) 【c】 蛐嚆防寨晴衄 固2厂房和大坝连接加固方案形式示意图 对于方案I,图3表示了厂房固有振动频率(前2阶)与加固顶高程的关系。275.0m 高程相当于加固前。可见加固有明显的刚度和频率提高作用。机组的额定转速为 107.1dmio,相应的转频为 =1.785Hz,转频的倍频为3.57Hz。按照20%频率错开度的要 求,基频的共振范围为1.43—2.14Hz,倍频(2f.)的共振范围为2.86~4.28Hz。加固前,厂 房基频^=1.88Hz在 的共振范围内,而二阶频率^=2.91Fiz又同时落在Z,=.的共振区 阀,这是造成厂房振动事故的主要原因之一。加固后厂房的基频显著提高,同时二阶频率 也相应提高。虽然适当加圃即可使厂房基频与转频错开度大于加%。但不幸的是。随着 加固高程的增加,二阶频率与Z 的错开度减小。另外,还虚注意到,当加固高程较高时 (如 286m~288m),基频又有可能落人倍频(2fo)共振区同。只有当加固高程在审289m 以上时,才有可能完全错开/=.和2 的共振区。 对于方案Ⅱ,选定加固顶高程为V 284.0m。以上仅加宽立柱断面0.4m。通过加宽部 维普资讯 http://www.cqvip.com

马震岳等:红石水电站厂房的机组诱发振动及抗振加固研究 3l  II l  ll I  lI——●一一甘I /, I一= I ,’, /  r  l Il l , l l / ,  :。—J, , .J l, .. r一 ●-- l r  II l  ll l  lr塌早 ^拦《m) 图3连接加固顶高程对频率的影响(方案I) 分顶部高程对频率影响的定量分析,结果表明,效果很不理想,前两阶频率虽避开了转频 共振,但均落在了转频倍频的共振区间内,不能完全避开共振的危险。 方案Ⅲ仅加宽立柱断面,计算结果显示,该方案对整体刚度和频率的提高效果不明 显,难于避开共振区。 、 经过上述的分析比较,初步选择方案I,加固连接顶高程取到 280.0m高程,作为进 一步分析论证的基础,简称为28(]方案,见图2。 共振校核计算结果为: =2.17Hz,I _-21.6% 撕 。 :3.13Hz,1 量:J  I I:12%>l0% 该方案的优点是可以保证与机组转频错开20%以上,同时使二阶频率与2倍转颡错 开10%以上,基本解决了共振问题。从静力学方面看,加固高程低,由于挡水结构低高程 处变位很小,向厂房的传力也很小,结构的强度较容易保证。缺点是 还没有完全错开 倍频共振区,不能完全排除二阶振动的可能。当然,倍颡共振不易发生,即使发生强度也 较基频为弱。 四、结构动力模型试验 结构动力模型试验主要测量结构固有振动特性。整体厂房模型采用1t50比尺,上部 框架结构独立模型几何比尺为l,25。模型用有机玻璃材料制作。原型结构自振频率由模 型频率换算得到: f:  ̄/研 , y (1) 式中, 为几何比尺; 为弹性模量; 为材料容重;下标m代表模型量。 若干方案的模型试验结果与计算结果对比列于表l。从试验结果与计算结果的比较 看,两者基本是符合一致的,但也不可避免地存在误差。主要原因可能是由于模型简化处 维普资讯 http://www.cqvip.com

32 水力发电学报 理方法、加工精度、边界条件模拟、附加质量的施加以及材料特性的不一致等等 总体上 评价,计算和试验成果均是可信的,可以作为加固设计论证的依据。 裹l厂房固有振动龋牢试验结累佃旺) ^ 加固方案 计算 试验 计算 试验 加固前 l s8 2.0i 2.9l 2.94 280方案 2.17 2.54 3.13 加固至V 284.0 2.76 2.88 3.74 3、76 方案I 加固至V285.5 2.74 3.10 3 76 4.09 加固至V 293.0 6.78 5 28 6.81 6.23 下直上斜方寨 2 53 2.83 3 56 *V282.5m以下同方案I,V282.5m—V 285.5m为立柱加宽I.0m一0.4m 五、加固后厂房结构的强度校核 综合上述研究成果,厂房振动和立柱开裂最有教的处理措施为厂坝连接,依靠挡水结 构提高厂房的刚强度,但在方案可行性论证中,必须考虑加固后厂房受力条件的变化,校 核其强度,并研究选择适当的温度和水位条件,确定最佳加固时间。 s。1广房静力强度数值分析 考虑运行期各种正常和非常工况的最不利荷载组台,荷载包括自重,吊车吊物重,刹 车制动力和风荷载等。计算表明,坝顶向上游位移4.0mm时吊车柱的应力值最大:上游 懊I吊车柱在V 7.75.0m高程处均出现拉应力,最大拉应力为1.96MPa(中柱);吊车柱的变截 面处为2.54MPa;最大剪应力为0.79MPa;最大主应力为3.13MPa,最小主应力为一 0.88MPa。可见,由于坝体变形的影响,加固后立柱的应力较大,局部拉应力大于混凝土的 抗拉强度,必须做进一步论证。 s.2结构静力模型试验 为完善加固设计的论证工作,同时进行了静力模型试验,与数值计算相配合。由于水 压力和温度变化的模拟十分困难,故也采用给定位移的加载方法,即在结构上加载使之产 生指定位移量,测量应力值。 根据静力模型相似理论,在位移边界条件下,原型模型的应力采用下式换算: =^~E ‘A (2) 对红石厂坝模型,E:2.85 x10 N/2,^:1t50。这样即可利用式(2)根据测量的!A 求出任一原型结构变位△下的应力 值。这里△ 为模型给定位移,e 为模型渊量应变 维普资讯 http://www.cqvip.com

马震岳等:红石水电站厂房的机组诱发振动及抗振加固研究 33 值。对280方案,即最后推荐方案进行了应力测量,最大模型给定位移加至80/zm,加载曲 线(应变一加载位移)基本上保持线性关系。经过模拟变换,原型结构的应力一位移关系 如图4所示。坝顶单向位移达到设计的4mm时,立柱底部应力超过结构的抗拉强度,需 配筋解决。 I  lI l l  I’ —・一十拄 ~t, 柱 一-0-一£ H& // ^£ R / 6 ● j 2 / , I /J ‘: 一 . &#cmm) 图4厂房立柱应力一坝顶位移关系(模型试验结果) 比较可看出应力从数值上基本是一致的。例如中柱在4mm位移时的拉应力,试验为 2.J.0MPa,计算为1.96MPa,基本是符合的,说明研究成果可信。 5.3强度复核的进一步讨论 从上述计算和试验成果看,加固后在坝体变形作翔下,厂房立柱结构的应力较大,局 部已超过混凝土的抗拉强度。分析认为,上述分析方法和原始数据有一定的近似性,导致 计算结果偏大。通过温度场的简单模拟计算、厂坝间安装的测缝计的观测分析以及试验 加固段埋设的混凝土应力计和钢筋计的测量结果,综合分析认为,实际结构受力低于计算 结果,可以满足要求。 六、加固前后厂房振动的比较分析 根据上述研究成果经过综合的分析论证,最后确定采用280方案,首先选择1号机组 段厂房进行试验性加固,通过现场试验确认和检验加固效果,对设计方案进行必要的完 善,然后再在其他机组段实行。 6.1厂房自振特性现场试验 采用吊车桥机横向急刹车方式产生顺河向冲击激振力,从而测量识别厂房的固有振 动频率和振型。测量分别在上游排架和下游排架进行。频谱分析结果表明,加固前厂房 的基频约为1.76Hz,基本上接近于计算与模型试验值。 采用厂房与大坝连接280方案加固之后,与加固前完全相同的现场振动试验结果表 明:①加固后,上游排架墙柱的一阶固有频率为2.05 Hz,与加固前比较,提高了16%,与转 速频率的错开度从加固前的1.5%增大到15%;②加固后,下游排架的基频仅提高了6%, 维普资讯 http://www.cqvip.com

水力发电学报 为1.86 ;③与现场试验成果比较,计算结果为2.16 ,模型试验为2.54 ,三者间存在 一定的误差,现场试验结果较低,应以此为准;④厂房上下游排架结构在加固后的白振频 率各不相同,说明加固后两者的剐度差别很大,其原因主要在屋顶桁架。桁架本身是弹性 构件.与立柱的连接也不是刚性的,故单独加固厂房上游结构对下游结构的刚度提高作用 不明显。 6.2机组振动诱发厂房振动现场试验 一8口. v ,S 分别在加固前后进行了机组运行工况下振动测量,以分析比较加固的效果。试验工 况包括机组变转速、有无励磁、升负荷及降负荷等工况。振动测点包括立柱、机架和顶盖 的加速度,以及流道边壁处的脉动压力(蜗壳、导流锥,水封、尾水管等处)。由于厂房加固 对机组和发电机层以下结构的振动不会发生影响,故仅分析立柱281m高程处测点的振 动反应。 图5为上下游立柱(中间)测点的振动加速度幅值随工况变化情况。横轴坐标为工况 点,前6点为无励磁变转速工况,分别为额定转速的50%,70%,舯%,811%,90%和10o%; “5(7)”代表有励磁工况;以后均为有负荷工况,百分数代表导水叶相对开度,从25%增至 满负荷的74%,然后再降至25%,最后关机。这里分别给出上游两个测点(顺河向和横河 向)及下游立柱测点(顺河向)的分析结果。 加固前后的振动反应比较分析表明,加固后上游立柱的顺河向和横河向振动幅度均 有明显降低,平均约降低30%一50%,说明加固效果显著,加固方案对上游结构有效。横 河向振动在65%出力振区有异常,加固后反而较加固前增大,说明若机组在振动强烈区 f l I lI 。 I l l 一 I f 』 / l,I、 n I ■■■ } f l、 ’ \ 1、\ I 南 目 ’ / }l i J l 、, f l 一 l I、 吖 l l l I I I试t 引 誊善量善蔷誊蛋亮萎毒喜萎磊主誊萎差毒誊誊善毒奉蔷姜萎 图5a上游立柱顺河向舅点的加速度响应曲线 I l ' I l l l I l l、I ^ l I l l l + l I l l l I ,l ’1、 l I I J 1  l、 一一 一■目*l j ,  。I l 1、J 『 ,L  、 、 l,I i r、 l , 目后 I 1 \ , l I I 、l, , l 1. l 、 、厂 / I r,J l, 『l l 1 ’、 / . I I 一 I{l l , l l l l l l l I I l i『l 『 试 I 。 f I l 图5b上游立柱横河向测点的加速度响应曲线 维普资讯 http://www.cqvip.com

马震岳等:红石水电站厂房的机组诱发振动_及抗振加固研究 越 l l l l  Il I 1  Il \l l ,1、 l  J,l , 一1—1 I l l l 、l l , l l I l 、 I, !I 1、 I l\ ,, ’- 、c y l 瞄目【’l J  l{  } 7 一 , ’ ;  i}  I1 l I l 1 l I l ^0叩lj茸惜i { l§ ≤ 《 §§ §§§ i§§ ¨""¨¨""“埘 ¨ 图5c下游立拄顺河向测点的加速度响应曲线 间运行,加固对消减振动加速度的效果不显著。当然,两次试验也存在不完垒对应性,传 感器测量的误差也难于完全避免。但由于红石机组一般均在满负荷工况运行,这一问题 不构成加固的控制要素。另一方面,加固提高了结构抗振刚强度,即使加速度没有减小, 结构的动应力也会显著降低。 加固前后下游立柱顺河向振动反应的改善不明显,主要原因仍然在于屋顶桁架的连 接刚度不能起整体作用。在满负荷工况振动有所消减,是值得重视的,因为这是机组的工 作点。总之,上游单独加固方案对下游结构刚度提高、振动消减的效果不如对上游结构那 么显著,尚须继续探讨解决。 七、结论与讨论 红石水电站运行中机组振动较大,并诱发厂房和大坝振动。厂房立柱等处存在的裂 缝,经分析,不会是由于温度变化等静力因素所产生,而是振动造成的疲劳开裂。系统研 究成果 的结论是,该电站存在机组与厂坝的共振现象,机组的转频振动和水轮机叶片数 振动是主要的振源。鉴于厂房立柱普遍存在周边裂缝,必须尽早进行抗振加固,以保证电 站安全运行。 1.实行厂房上游立柱和厂房坝段挡水结构刚性连接,借助挡水结构提高厂房自身的 刚强度,是最为经挤合理的加固方案之一。加固后,厂房结构固有振动频率显著提高,与 机组转频的错开度达到15%,基本避开了共振区。 2 厂坝连接加固处理后,挡永结构的受力通过连接结构传递到厂房框架,必须复核 其强度,并优化加固形式以使受力最小。计算和观测表明,应力不大,可以满足强度要求。 3.厂坝连接加固对下游立柱刚度提高和错开共振区效果不显著,主要是桁架的弹性 和支承条件影响,尚需研究其他的加固措施。 4 厂房振动为机组振动所诱发,必须同时研究实施机组的减振措施;加固方案尚需 进一步完善,然后尽早在其他机组段实行。 5.随着机组容量和厂房尺寸的增大,机组振动和诱发的厂房振动问题日益突出,必 须在设计和研制阶段予以足够重视,加以预测和控制 。 维普资讯 http://www.cqvip.com

水力 发电学报 参考文献 [1]马震岳等,红石水电站机组振动及诱发厂坝振动分析,水力发电,2000,No.9。 [2]马震岳等,三峡水电站厂房结构动力分析与优化,水电能源科学.Vo1.18,No.3 2OOO。 Studies on the Anti—vibration and Reinforcement of Powerhouse in Hongshi Hydropower Station Ma Zhenyue Shen Chengneng Wang Yibo Chen Jing Zhao Dehad (Dalian 一of Technology Dalian 116o24) La Zhengang Wang Guangcheng Dai Zheng Zhao Chanjing Yang Qi (Baishan Hydropower Station ttuadian 132404) In rIo.s ̄hi嘶dropower Staiton there exists vibration of units and induced vibration of power- ehUSeS and dan瑁.It is concluded throu the numerical and expefi ̄nt research that the¥Oltll ̄e of heavier vibration i8 due to the i ̄¥ollance between the ur ̄its and the Btn1clul舶.which t18s cauBed the cracking of column.Based On the research works,some proposals have been pot forward to rein. force the powerhouse.After the mea吕ures are taken,山e vibration frequency of the stmc Te becOraes much highertlI the rotating speed ofthe units,sothe re ̄rllftnce can be avoided.1he amplitude of the BⅡucIure vibration is also dec 日 remarkabIv. 1【e,Words Powerhouse Resonan0e Anti—v.山r8tion Reinf0∞eInent 

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