直埋式蝸殼結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性真機(jī)測試分析研究

職保平，馬震岳，張宏戰(zhàn)，王溢波

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 概述

目前，國內(nèi)外大中型中高水頭機(jī)組廠房蝸殼埋設(shè)主要采取墊層蝸殼、充水保壓蝸殼和直埋蝸殼（也稱 “完全聯(lián)合承載蝸殼”）3種方式。由于埋設(shè)方式的不同，蝸殼結(jié)構(gòu)的受力特點存在很大差異。文獻(xiàn)[1～3]對各埋設(shè)方式研究現(xiàn)狀及存在的問題作了詳細(xì)的論述。其中，直埋蝸殼受力狀態(tài)好、安全性高、整體剛度大，造價低、施工工藝簡單、工期可以縮短，因而高水頭、大容量機(jī)組采用該結(jié)構(gòu)型式在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)方面都有較大的優(yōu)越性。

水電站直埋式蝸殼結(jié)構(gòu)的主要特點是：蝸殼進(jìn)口端有部分墊層，其余部分無墊層，無充水預(yù)壓，外圍混凝土直接澆筑。我國某單機(jī)容量為350 MW的大型水電站采用了直埋式蝸殼，其鋼管和蝸殼直徑大，水電站額定水頭60 m，額定轉(zhuǎn)速75 r/min。為準(zhǔn)確全面了解機(jī)組廠房整體結(jié)構(gòu)及重要構(gòu)件的振動特性，實現(xiàn)靜動態(tài)設(shè)計的后評估和振動的有效控制，有必要進(jìn)行全面的監(jiān)測分析，從而掌握機(jī)組在不同運(yùn)行工況下的振動狀態(tài)，對振動區(qū)間、振動幅頻特征、振動強(qiáng)度和振動發(fā)展趨勢有清楚可靠的了解。

測試采用CA-YD-109B壓電式加速度傳感器和SYL-1壓電式脈動壓力傳感器，DH5920動態(tài)信號分析采集系統(tǒng)；測試結(jié)果采用97%置信度峰峰值，利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計、Welch法的功率譜估計分析以及相關(guān)的方法對信號進(jìn)行分析，文獻(xiàn)[4，5]詳細(xì)分析了實測信號選用Welch法進(jìn)行功率譜估計的優(yōu)越性。同時在進(jìn)行功率譜分析時，選用的分析方法、窗函數(shù)、窗函數(shù)大小、疊加范圍等完全相同，保證該方法下所得頻率的能量幅值具有可比性。

1 水輪機(jī)流道的水壓脈動規(guī)律分析

混流式水輪機(jī)水壓脈動對水力機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響較顯著[6]。實際運(yùn)行中，尾水管的水壓脈動測量比較方便，且各種水力因素引起的水壓脈動大都能在尾水管中體現(xiàn)出來，因此，尾水管水壓脈動的分析具有特別重要的意義。

尾水管測點位置在尾水管進(jìn)人門處，利用尾水管錐管段鋼板壁上的引出水管安裝水壓脈動傳感器；蝸殼進(jìn)口端、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間、蝸殼末端測點為水電站預(yù)埋。試驗前水壓脈動傳感器用標(biāo)準(zhǔn)壓力計靜態(tài)原位率定。

2號機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行工況為：50、90、175、265和326 MW。2號機(jī)組尾水管、蝸殼進(jìn)口、蝸殼末端及轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間壓力脈動隨發(fā)電機(jī)組負(fù)荷變化關(guān)系見圖1，各工況對應(yīng)功率譜主頻見表1，326 MW工況各測點相關(guān)系數(shù)見表2。各測點壓力脈動的功率譜見圖2。

圖1 各測點壓力脈動峰峰值隨負(fù)荷的變化關(guān)系

從上述圖表可以看出，2號機(jī)組單機(jī)運(yùn)行時，尾水管、蝸殼進(jìn)口、蝸殼末端及轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間壓力脈動存在3個主要特征區(qū)：

表1 壓力脈動各工況對應(yīng)主振頻率

表2 壓力脈動326 MW工況下各測點相關(guān)系數(shù)

圖2 326 MW壓力脈動測點功率譜

（1）發(fā)電機(jī)組出力范圍在0～90 MW，其主振頻率為0.244 Hz（0.2倍轉(zhuǎn)頻）及2.06 Hz（1.65倍轉(zhuǎn)頻），并在90 MW出現(xiàn)最大的壓力脈動水頭峰峰值7.58 m，相對值12.7%，尾水管區(qū)域的水壓脈動對整個水輪機(jī)結(jié)構(gòu)和廠房結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的激勵效應(yīng)。

（2）發(fā)電機(jī)組出力在175 MW，其頻率范圍在0.24～0.26 Hz，為轉(zhuǎn)頻的1/4.8～1/5.2，脈動壓力幅值相對值為1.2%～3.75%，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷奈菜軠u帶脈動區(qū)，水壓脈動過程具有明顯的周期性。

（3）發(fā)電機(jī)組出力范圍265～326 MW，其中尾水管壓力脈動的主要頻率范圍在0.995～9.537 Hz之間，其余測點主要頻率均為轉(zhuǎn)頻1.25 Hz，水壓力脈動幅值相對值范圍為0.613%～1.237%。

（4）在發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行中，壓力脈動具有高度相關(guān)性。從表2可知，326 MW工況中壓力脈動所有測點具有很好的相關(guān)性，其中蝸殼進(jìn)口端、蝸殼末端處壓力脈動時程數(shù)據(jù)的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.931。圖2表明，蝸殼末端能量僅比進(jìn)口端能量小13.4%，表明蝸殼內(nèi)部流場均勻，水流保持很好的平穩(wěn)性；而轉(zhuǎn)輪導(dǎo)葉間與尾水管水力脈動雖然以低頻為主，但其成分復(fù)雜。較高的相關(guān)性表明，壓力脈動各點隨機(jī)組出力變化具有近似一致響應(yīng)。

（5）在發(fā)電機(jī)組升負(fù)荷過程中，蝸殼內(nèi)部脈動壓力與尾水管脈動壓力幅值相比，尾水管脈動壓力幅值明顯大于蝸殼內(nèi)部各部位脈動壓力幅值，從而判斷尾水管為蝸殼振動的主要水力振源[7]。

2 蝸殼結(jié)構(gòu)的振動測試與分析

蝸殼作為直接承受作用力的部件，其靜動態(tài)特性對機(jī)組、廠房的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，同時也是水電站廠房振動分析的重要組成部分。本工程在蝸殼鋼襯和混凝土內(nèi)部預(yù)埋了8個壓電式加速度傳感器，其中1、3、5、7號測點緊貼鋼蝸殼，2、4、6、8號測點位于緊貼鋼蝸殼相應(yīng)測點沿徑向間隔約1 m的混凝土中。施工過程中3、4、6號傳感器被損壞。蝸殼的進(jìn)口端直徑11.2 m，從引水管道至28號管節(jié)，鋪設(shè)厚度為30 mm、彈性模量為2.0 MPa的彈性墊層，其余部位的蝸殼為直埋方式，測點及墊層位置分布見圖3，各測點工況主頻見表3。各測點振動加速度峰峰值隨負(fù)荷的變化關(guān)系見圖4，各測點加速度的功率譜圖見圖5。

圖3 蝸殼測點及墊層位置

表3 蝸殼各測點各工況主頻

通過分析可得到以下結(jié)論：

圖4 各測點振動加速度峰峰值隨負(fù)荷的變化關(guān)系

圖5 326 MW工況加速度測點功率譜

（1）蝸殼振動隨機(jī)組出力發(fā)生相應(yīng)變化：在0～90 MW，振動逐步上升，至90 MW時出現(xiàn)振動峰值，最大值出現(xiàn)在蝸殼進(jìn)口端腰線位置；機(jī)組出力至175 MW時，蝸殼振動驟降；機(jī)組出力至滿負(fù)荷326 MW時，蝸殼振動逐步上升，但小于90 MW時（最不利工況下）的幅值；整個測試過程除2號測點外，隨機(jī)組出力的變化規(guī)律基本相同，各測點均在90 MW達(dá)到振動最大值。

（2）1、5、8號測點振幅峰值隨機(jī)組升負(fù)荷變化而產(chǎn)生明顯變化，圖4表明1、5、8號3測點沿蝸殼徑向加速度峰值隨工況變化具有較好的一致性，3者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9，其峰值出現(xiàn)于機(jī)組出力90 MW的工況。

（3）2號測點和5號測點的主頻為1.25 Hz，為機(jī)組轉(zhuǎn)頻，測點1號和測點7號的主頻為47～48 Hz和42～43 Hz，測點8號的主頻為12～15 Hz，并且在50 MW工況時主頻為40 Hz，1、7、8號測點在整個升負(fù)荷過程中均未出現(xiàn)低頻的水力振動。

（4）從圖4可以看出，測點1號與2號、7號及8號的振動加速度比較，位于混凝土內(nèi)部測點2、8號的振動幅度遠(yuǎn)小于鋼蝸殼上相應(yīng)位置的1、7號測點，且8號測點保持了隨機(jī)組出力變化的同步性。分析認(rèn)為，這是由于振動波通過1 m厚混凝土后能量耗散，導(dǎo)致振幅大幅度減小。

（5）1、5、7號為緊貼鋼蝸殼測點，1、5號測點測試部位鋪設(shè)有墊層，振幅經(jīng)過90 MW的最不利工況后分別衰減了80%、83%；而位于直埋管段的7號測點振幅衰減僅為32%，且于326 MW滿負(fù)荷工況時達(dá)到最不利工況的幅值。與此同時，混凝土內(nèi)的8號測點衰減84%，振動幅度較小，振動加速度最大值僅1.855 m/s2，且隨負(fù)荷的增大沒有明顯變化。以上分析表明，蝸殼進(jìn)口端鋪設(shè)的墊層吸振、減振作用明顯，而直埋管段振動能量較高。

3 脈動壓力與蝸殼振動關(guān)系分析

綜合以上分析可知，在振動幅值上，蝸殼結(jié)構(gòu)振動與脈動壓力具有緊密聯(lián)系，除蝸殼2號測點外，各工況的蝸殼振動均與蝸殼內(nèi)部及尾水管水壓脈動保持同步性；但在頻率上，蝸殼外圍的1、7、8號測點均無水力振源頻率，而2、5號測點與脈動壓力主頻一致。265、326 MW工況在整個蝸殼流場均出現(xiàn)主頻為轉(zhuǎn)頻的振動。

在蝸殼外圍測點中，鋼蝸殼外壁腰線部位的1、7號測點以42.6、46.6 Hz為主頻，其功率譜中低頻成分所占比例很小，低頻的水力振動經(jīng)過鋼蝸殼后主頻轉(zhuǎn)移至高頻振動。猜想為鋼材質(zhì)的蝸殼對低頻不敏感，而將其振動能量轉(zhuǎn)化為高頻部分，該點有待進(jìn)一步驗證。8號測點中以12 Hz為主頻，同時富含10～25 Hz頻率，以及少量低頻成分，由于7號與8號測點間隔1 m的混凝土，高頻振動進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為低頻振動，同時1號測點亦不存在低頻分量，而相應(yīng)的位于混凝土部分的2號測點又再次顯現(xiàn)低頻振動，再次印證了7、8號測點頻率高低頻轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。水力振動經(jīng)鋼蝸殼、混凝土所產(chǎn)生的低頻到高頻再到中頻的變化有待進(jìn)一步分析。

4 結(jié)語

本文對采用直埋式蝸殼的水電站廠房的現(xiàn)場振動測試成果進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要結(jié)論如下：

（1）在升負(fù)荷通過振動最不利工況后，未鋪設(shè)墊層的蝸殼外圍混凝土測點振動幅度衰減程度遠(yuǎn)小于蝸殼進(jìn)口端鋪設(shè)墊層部分的測點的衰減程度。

（2）直埋式蝸殼內(nèi)部水力振動經(jīng)鋼蝸殼傳導(dǎo)后由低頻振動轉(zhuǎn)移至高頻振動，而經(jīng)過混凝土后再次降頻。

（3）升負(fù)荷運(yùn)行時，尾水管壓力脈動存在3個主要特征區(qū)，同時蝸殼內(nèi)部及尾水管的脈動壓力與蝸殼外圍混凝土結(jié)構(gòu)的振動幅值規(guī)律保持了較好的同步性。因此，蝸殼及尾水管流道流場為蝸殼振動的主要振源。

（4）各測點的振動幅值分析表明，須合理優(yōu)化水輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電運(yùn)行區(qū)間，以利于機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)的振動控制。

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