水電站主廠房附屬機電設備隔振有限元分析

王　偉，馬震岳

(大連理工大學 建設工程學部水利工程學院， 遼寧 大連 116024)

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水電站主廠房附屬機電設備隔振有限元分析

王偉，馬震岳

(大連理工大學 建設工程學部水利工程學院， 遼寧 大連 116024)

結合某壩后式水電站廠房實際工程，采用有限單元法，在流道脈動壓力作用下彈簧阻尼隔振體系對水電站廠房內(nèi)調(diào)速器設備的隔振效果進行了分析研究。結果表明：在15 Hz脈動壓力作用下廠房出現(xiàn)整體豎向振動，發(fā)電機層樓板振幅急劇增大，對布置在其上的機電設備有很強的沖擊作用；當隔振體系自振頻率為4.5 Hz～5.0 Hz時，隔振體系對低頻脈動壓力引起的振動有輕微的放大作用，對中高頻脈動壓力引起的振動有顯著的隔振效果；隔振體系阻尼能有效減小共振區(qū)脈動壓力引起的振動，對振動控制有利。

水電站廠房；脈動壓力；機電設備；隔振

水電站廠房屬于動力廠房，由于其承受的機組荷載和水力脈動荷載較為突出且隨工況變化頻繁，因此在運行過程中，廠房的振動問題非常普遍[1]。主廠房樓板上通常布置有調(diào)速器和機旁表盤柜等設備，樓板劇烈振動可能會導致機柜誤動作，進而造成機組停機等事故[2]，因此，有必要采取一定的措施來保障設備的安全穩(wěn)定運行。彈簧阻尼隔振措施由于其減振效果好、運行維護少、使用壽命長等特點，在核電站汽輪發(fā)電機基礎隔振[3]以及軌道交通彈簧阻尼浮置板[4]等工程領域得到廣泛應用，但在水力發(fā)電領域，國內(nèi)外尚無將隔振技術應用到水電站主廠房樓板設備上的工程實例。本文通過建立某水電站廠房三維有限元模型，對發(fā)電機層樓板上的調(diào)速器設備采用彈簧阻尼隔振體系并進行動力分析，研究在壓力脈動作用下，彈簧阻尼隔振措施對設備減振的效果。

1　彈簧阻尼隔振體系的隔振原理

調(diào)速器底部采用的彈簧阻尼隔振體系如圖1所示，將具有一定質量和剛度的混凝土基礎板浮置在彈簧阻尼隔振器上，隔振器內(nèi)放有螺旋鋼彈簧和黏滯阻尼器。

圖1隔振體系示意圖

彈簧阻尼隔振體系中，浮置基礎相對于隔振彈簧具有較大的剛度，浮置基礎在振動過程中以低階豎向整體振動為主，因而可以假設設備及浮置基礎為剛性質量塊m，隔振原理可用圖2所示的單自由度體系來闡述，設備基礎假設為剛體,阻尼力采用黏滯阻尼。

(1)

浮置基礎的穩(wěn)態(tài)相對位移反應為

(2)

將其與設備基礎運動矢量相加后，浮置基礎的總穩(wěn)態(tài)反應為

(3)

隔振體系的傳導比(浮置基礎的運動振幅與設備基礎的運動振幅之比)為

(4)

圖2隔振體系簡化動力學模型

由式(4)可知，隔振體系自振頻率及阻尼比是影響隔振效率非常關鍵的兩個因素，對隔振措施減振效果起著決定性作用。

2　計算模型

某壩后式地面水電站廠房，廠壩之間、上游副廠房與主廠房之間及相鄰機組段之間均設有永久變形縫，下游尾水副廠房布置在尾水管擴散段上部。新建電站內(nèi)裝機6臺，單機容量200 MW，機組額定轉頻fn為1.5625 Hz，葉片數(shù)頻率為15fn，導葉數(shù)頻率為24fn。本文選取其中一個機組段建立主廠房及尾水副廠房三維有限元模型，所有混凝土結構及開孔尺寸較大的孔洞均按實際體型尺寸進行模擬，基巖上下游側及深度方向各取一倍廠房高度，基巖的上游側、下游側、左側、右側均為法向約束，底部邊界為固定約束，其余邊界為自由，廠房結構有限元計算模型如圖3所示，發(fā)電機層高程以下廠房結構三維網(wǎng)格示意圖如圖4所示。

圖3　廠房結構有限元計算模型

圖4發(fā)電機層高程以下結構三維網(wǎng)格示意圖

蝸殼外圍、尾水管外圍及尾水閘墩大體積混凝土采用C25混凝土，梁柱、樓板和實體墻采用C30混凝土，浮置基礎采用20 cm厚C35混凝土，鋼蝸殼、尾水管鋼襯、座環(huán)及導葉為鋼結構。計算中鋼材和混凝土相應的物理力學參數(shù)按照設計規(guī)范的標準值選取，基巖的物理力學參數(shù)按照實測值選取。

計算采用ANSYS商用軟件，調(diào)速器設備用質量單元mass21模擬，浮置基礎采用實體單元solid45模擬，隔振器采用4組彈簧-阻尼單元combin14模擬，分別賦予三個方向的剛度阻尼特性。通過假設隔振體系自振頻率及阻尼比，代入式(5)，計算得到隔振器豎向剛度，均分到各組彈簧上，水平剛度和阻尼取豎向剛度和阻尼的1.0倍。

(5)

3　不同自振頻率及阻尼比隔振體系的振動分析

3.1發(fā)電機層樓板自振特性分析

發(fā)電機層樓板是設備的基礎，樓板的振動特性對設備的振動控制有非常重要的影響。本節(jié)采用模態(tài)分析對廠房結構進行模態(tài)分析提取前200階振型，頻率分布從2.05 Hz～45.01 Hz。廠房整體結構的自振頻率比較密集，每1 Hz均分布有1階甚至多階振型。從前200階振型中挑選出發(fā)電機層樓板各象限的最低階強振振型如圖5所示，從圖中可以看出發(fā)電機層樓板第一象限最先起振，這主要是因為樓板左側較寬，跨度較大，同時布置有吊物孔，樓板第一象限結構剛度相對較??；樓板第四象限最后起振，主要原因是第四象限布置有樓梯間，樓層之間的樓梯間墻體對樓板起到很好的支撐作用；發(fā)電機層樓板起振頻率為26.3 Hz。在發(fā)電機層樓板起振前，同時需要注意廠房第27階(14.86 Hz)振型，這時雖然沒有達到發(fā)電機層樓板的起振頻率，但振型表現(xiàn)為廠房整體的豎向振動(圖6)，發(fā)電機層樓板豎向振動較大，對設備不利。

圖5　發(fā)電機層樓板各象限最低階強振頻率和振型

圖6廠房第27階振型圖(f=14.86 Hz)

3.2自振頻率的影響分析

在實際工程中，機組振動荷載頻率較低，與樓板的自振頻率一般具有足夠的錯開度[6]。而與之不同的是，流道內(nèi)脈動壓力頻率分布寬，脈動能量難以準確預測，易引起樓板結構較強的振動[7-8]。本文計算中，流道內(nèi)脈動壓力幅值采用水輪機模型試驗所得的各工況幅值最大值，假設蝸殼和尾水管內(nèi)各測點控制的局部流道的脈動壓力是同幅值、同頻率和同相位的，這種情況是最危險的情況。

為了更加充分了解設備基礎隨荷載頻率的振動響應，根據(jù)樓板結構模態(tài)分析結果及本工程脈動壓力頻率可能出現(xiàn)的主要頻率區(qū)間，對廠房結構進行掃頻計算，脈動壓力頻率范圍0 Hz～50 Hz。圖7為設備基礎豎向動位移幅值隨脈動壓力頻率變化曲線圖。從圖7中可以看出，當激振頻率為15 Hz時，設備基礎的振幅顯著增大，對布置在其上的機電設備有很強的沖擊作用，這主要是因為荷載頻率與廠房第27階自振頻率(14.86 Hz)接近，引起廠房整體豎向共振。由于廠房結構低階振型主要表現(xiàn)為上下游墻柱的振動，所以荷載頻率在0 Hz～12 Hz之間變化對設備基礎豎向振動影響較小。當荷載頻率在26 Hz～50 Hz之間變化時，荷載頻率超過了發(fā)電機層樓板的最低階強振頻率，設備基礎豎向動位移幅值隨著荷載頻率起伏變化，荷載頻率對設備基礎振動影響較大。

圖7不同荷載頻率設備基礎豎向動位移幅值

流道內(nèi)脈動壓力從低頻到高頻都有可能出現(xiàn)，出現(xiàn)較多的優(yōu)勢頻率主要是轉頻及其倍頻，為了確定合理的隔振體系自振頻率，達到良好的隔振效果，需同時兼顧高頻、低頻和設備基礎振動敏感頻率脈動壓力引起的振動，選取轉頻(1.5625 Hz)、設備基礎敏感頻率(15.0 Hz)、水輪機轉輪葉片數(shù)頻率(23.44 Hz)和導葉數(shù)頻率(37.5 Hz)作為脈動壓力四個關注的激振頻率。假定隔體系自振頻率在0 Hz～10 Hz之間變化，每0.5 Hz為一個變化量，隔振體系豎向及水平向阻尼比取0.1[9]，共20個隔振模型和1個無隔振模型，對無隔振方案和隔振方案進行動力分析。隔振體系豎向振動傳導比與隔振體系自振頻率的關系如圖8所示。

圖8不同自振頻率隔振體系豎向振動傳導比

從圖8中可以看出，當隔振體系的自振頻率小于5.5 Hz時，隔振方案對設備基礎敏感頻率、葉片數(shù)頻率和導葉數(shù)頻率脈動壓力引起的振動的隔振效率均在80%以上，具有良好的隔振效果；對于轉頻脈動壓力引起的振動，找到更低頻率的隔振體系與之匹配是不現(xiàn)實的，在這種情況下，主要考慮的不是低頻振源的振動，而是其往往伴隨的沖擊載荷或者高頻振動引發(fā)的響應[10]，同時控制隔振體系對低頻振動的放大作用，當隔振體系對轉頻脈動壓力引起振動的放大作用小于20%時，隔振體系的自振頻率需大于4.5 Hz。

隔振體系彈簧壓縮量太小時，浮置基礎在安裝和后期使用中出現(xiàn)較小的偏差，對隔振彈簧的受力有較大的影響，需要立即補償調(diào)整，在實際工程中實用性降低，不推薦使用工作荷載下壓縮量小于10 mm的彈簧[11]。表1為不同自振頻率的隔振方案在設備和浮置基礎自重作用下的豎向靜位移。從表1中可以看出，隔振體系的自振頻率不應超過5.0 Hz。

因此，為了兼顧隔振體系對中高頻振動的隔振效率和控制對低頻振動的放大作用，同時減少使用過程中對隔振體系的補償調(diào)整次數(shù)，隔振體系自振頻率宜選擇在4.5 Hz～5 Hz。

表1　靜荷載作用下浮置基礎豎向位移

注：表中負號表示向下的位移。

3.3寬頻域脈動壓力作用下隔振體系隔振效果及不同阻尼比的影響分析

為更全面地了解流道脈動壓力對隔振體系產(chǎn)生的影響，研究更寬頻域范圍內(nèi)隔振體系的隔振效果是有意義的。阻尼對振動有耗能減振效果，是影響隔振體系隔振效果的另一個關鍵因素。本節(jié)選定4.5 Hz作為隔振體系自振頻率，假定隔振體系阻尼比分別為0、0.05、0.10、0.15和0.20，建立有限元模型對隔振體系的振動響應進行進一步分析，開展脈動壓力頻率范圍為0 Hz～50 Hz的掃頻計算，計算步數(shù)為50步，脈動壓力作用區(qū)域、幅值與第3節(jié)對應部分相同。

為保證機電設備的穩(wěn)定運行，振動位移，速度和加速度均是重要的控制指標。圖9、圖10和圖11分別為不同隔振方案下浮置基礎豎向最大動位移、速度和加速度與無隔振方案的對比曲線。

圖9浮置基礎豎向動位移幅值曲線

由無隔振方案下設備基礎振動響應曲線可知，相同動位移幅值情況下，中高頻脈動壓力引起的速度和加速度響應遠大于低頻脈動壓力作用引起的，中高頻脈動壓力應是隔振設計關注的重點，這與上節(jié)選擇隔振體系自振頻率時關注中高頻振源的思想是一致的；由隔振方案與無隔振方案對比可知，隔振體系對6 Hz～50 Hz脈動壓力引起的浮置基礎豎向動位移幅值、速度和加速度均有顯著的隔振效果，隔振體系有效地阻隔了從發(fā)電機層樓板傳遞過來的振動，極大地降低了浮置基礎的振動響應；隔振體系對0 Hz～6 Hz低頻區(qū)脈動壓力引起的浮置基礎豎向振動響應有一定的放大作用；對比不同阻尼比的隔振方案可知，當阻尼比增加時，隔振體系對0 Hz～6 Hz低頻區(qū)脈動壓力引起的振動的隔振效率增大，尤其對4.5 Hz附近共振區(qū)脈動壓力引起的振動，阻尼可以有效地減小浮置基礎的振動。

圖10　浮置基礎豎向振動速度曲線

圖11浮置基礎豎向振動加速度曲線

4　結　論

本文在水電站廠房振動敏感的大型儀器設備上采用彈簧阻尼隔振體系來減小樓板傳遞的振動對設備的影響，采用有限元方法對其進行計算分析，得到以下結論：

(1) 在15 Hz脈動壓力作用下，設備基礎豎向振動幅值迅速急劇增大，對布置在其上的機電設備有很強的沖擊作用，這主要是因為荷載頻率接近廠房結構第27階自振頻率(14.86 Hz)，引起廠房結構整體豎向共振，隔振設計時需考慮對該頻率振動的隔振效果。

(2) 通過對頻率為轉頻、設備基礎振動敏感頻率、葉片數(shù)頻率和導葉數(shù)頻率的脈動壓力作用下隔振體系隔振效果的分析發(fā)現(xiàn)，隔振體系自振頻率在4.5 Hz～5.5 Hz時，隔振體系對中高頻脈動壓力引起的振動起到顯著的隔振效果，同時轉頻附近的低頻脈動壓力引起的振動也控制在較小的范圍內(nèi)?？紤]到彈簧壓縮量不宜太小，隔振體系自振頻率選擇在4.5 Hz～5.0 Hz之間比較合適。

(3) 隔振體系阻尼變化對共振區(qū)脈動壓力引起的振動的隔振效率有較大影響，阻尼能有效地降低0 Hz～6 Hz低頻區(qū)尤其是4.5 Hz附近共振區(qū)脈動壓力引起的浮置基礎振動，布置適當?shù)淖枘崞鲗υO備振動控制有利。

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Vibration Isolation of Electromechanical Equipment in Main Powerhouse of a Hydropower Station

WANG Wei, MA Zhenyue

(CollegeofHydraulicEngineering，F(xiàn)acultyofConstructionEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian，Liaoning116024，China)

The effect of a damping-spring isolator on the vibration response of electromechanical equipment in main powerhouse of a hydropower station under fluctuating pressure was analyzed with the finite element method based on an actual powerhouse of a hydropower station at dam toe. The results showed that the amplitude of the equipment foundation increases rapidly under the action of fluctuating pressure of 15 Hz, which have a strong impact on electromechanical equipment arranged on it. When the natural vibration frequency of vibration isolation system is around 4.5 Hz～5.0 Hz, the system has a little amplication on the vibration caused by pressure fluctuations of low frequency. At the same time, the system could isolate vibration efficiently caused by fluctuating pressure of medium and high frequency. The damping of vibration isolation system could absorb vibration caused by fluctuating pressure of resonance, which is beneficial to control vibration.

powerhouse; fluctuating pressure; electromechanical equipment; vibration isolation

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.015

2016-03-14

2016-04-11

國家自然科學基金(51379030)

王偉(1990—)，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為水電站建筑物結構靜動力分析。 E-mail：wangweidlut@126.com

馬震岳(1962—)，男，河南南陽人，博士，教授，博導，主要從事水輪發(fā)電機組動力學和水電站建筑物結構分析方面的研究工作。 E-mail：dmzy@dlut.edu.cn

TV651.1

A

1672—1144(2016)04—0073—05