南歐江五級電站沖砂底孔振動機理與減振技術(shù)研究

羅明清，曹志先，吳玉江

(1.中國電建集團海外投資有限公司，北京，100048；2.武漢大學，武漢，430072)

0 引言

振動是影響電站安全穩(wěn)定運行的重要問題之一，主要表現(xiàn)在極小擾動就可能引起電站水力系統(tǒng)中任何部位產(chǎn)生很大的壓力振蕩，引起結(jié)構(gòu)劇烈振動、壓力鋼管爆裂、引水隧洞局部破壞等事故。其主要原因有兩類：一類是系統(tǒng)本身不穩(wěn)定，受到擾動后，擾動會隨時間逐漸增強而不是衰減，并且導致劇烈的壓力和流量振蕩，即為自激振動；二是擾動頻率與水力系統(tǒng)的自振頻率一致或接近，即為水力共振[1]。目前關(guān)于振動現(xiàn)象的研究主要以基于ANSYS的結(jié)構(gòu)動力學模擬分析為主，原型數(shù)據(jù)監(jiān)測和模型試驗為輔。南歐江五級電站沖砂底孔出現(xiàn)的振動和異響，涉及泄流動邊界流道與閘門面板耦合，需針對性開展振動機理和減振技術(shù)研究。

1 概況

1.1 工程概況

南歐江五級水電站位于老撾豐沙里省，裝機容量240MW，采用混凝土重力壩，最大壩高74m，工程于2015年底首臺機組發(fā)電，2016年底投產(chǎn)發(fā)電。壩段分為左岸非溢流壩段、進水口壩段、沖砂底孔壩段、溢流壩段與右岸非溢流壩段。沖砂底孔壩段采用單孔“龍?zhí)ь^”，主要包括底孔、泄槽和挑流坎，孔口尺寸4.0m×5.0m，設(shè)計流量481m3/s，壩段剖面如圖1。

圖1 沖砂底孔壩段剖面

1.2 問題簡介

2016年9月，電站沖砂底孔首次開閘沖砂，閘門開度在1.2m及以上時，閘室、主廠房及壩頂強烈震感及出現(xiàn)規(guī)律性的錘擊聲。隨后流道檢查發(fā)現(xiàn)沖砂底孔流道光滑、完整，但泄槽兩側(cè)抗沖磨混凝土墻角出現(xiàn)對稱破壞，下部墻面已經(jīng)被掏空，結(jié)構(gòu)鋼筋外露，顯現(xiàn)槽狀深坑，底板部分也有不同深度的破壞。為保證沖砂底孔安全有效運行，亟待深入研究其振動機理并提出科學有效的解決方案。

2 一維理論分析

采用水力阻抗法和傳遞矩陣法建立水力振動分析數(shù)學模型，并考慮水擊波波速、閘門開度、壩前水位、漂浮物厚度等多種影響因子，計算27個工況下各階自由振動頻率及其振型。鑒于沖砂底孔各階衰減因子均為負值且水擊波的擾動頻率均明顯小于沖砂底孔第一階自振頻率，基本排除了系統(tǒng)發(fā)生自激振動以及水擊波引起水力共振的可能性。

利用一維水擊方程組對沖砂底孔水流進行模擬表明：現(xiàn)行的閘門啟閉方式及壩前水位條件基本不會導致沖砂底孔內(nèi)出現(xiàn)明顯水擊現(xiàn)象，不會影響沖砂底孔正常運行。

利用流動不穩(wěn)定性理論分析表明：進、出口擾動源的周期和相位，對流動穩(wěn)定性存在較大的影響。沖砂底孔進、出口擾動頻率為12Hz左右的擾動可能導致壓力放大，但該頻率與沖砂底孔首次開啟運行時現(xiàn)場感知的振動頻率(1Hz～2Hz)相距甚遠，初步判斷底孔振動不是由進、出口擾動引起的強迫振動。

3 三維數(shù)值模擬

鑒于一維水動力學數(shù)學模型具有理論上的局限性，不足以充分精細地揭示沖砂底孔振動機理，需進一步開展三維數(shù)值模擬?；贑FD(計算流體力學方法)進行氣液兩相流模擬，再現(xiàn)實時泄洪流場；基于FEM(結(jié)構(gòu)動力學方法)分析弧形閘門及沖砂底孔壩段結(jié)構(gòu)動力學特性；基于FSI(流固耦合技術(shù))開展底孔流道與閘門動邊界耦合計算。

3.1 流場特性精細模擬

3.1.1 宏觀流態(tài)分析

采用三維CATIA建模軟件，建立沖砂底孔立體模型，分別用Flow 3D和Fluent軟件計算不同上游水位-弧形閘門開度的泄流情況，泄流量均隨著閘門開度和上游水位的增大而增大，計算結(jié)果基本吻合。對各種水位、各個開度下的數(shù)十個工況模擬，揭示流態(tài)、壓力、壓力脈動的分布和變化規(guī)律：各個水位下流態(tài)特性相似；開度越大，水位越高，壓力脈動越大；閘門后流速分層明顯，跌坎后水面形成強烈翻滾旋渦(如圖2)；泄槽跌坎后形成較明顯的空化渦，空化渦形態(tài)隨開度變大而變大，全開時閘門底緣也出現(xiàn)接近-10m水頭空化渦(如圖3)。

圖2 閘門宏觀流態(tài)

圖3 跌坎宏觀流態(tài)

3.1.2 壓力脈動分析

典型工況選取上游439m水位，閘門2.0m開度，開展壓力脈動分析，壓力振動幅值沿程分布(圖4)表明：跌坎附近，脈動幅值逐漸增大；沿閘門弧面，壓力脈動幅值先增大后減??；底孔流道內(nèi)，沿程測點壓力脈動幅值逐漸增大?？傮w而言，從底孔進口到閘門斷面逐漸增大，而閘門斷面后略有減小，跌坎后達到最大。初步判斷可能的振源位置是跌坎后空化渦發(fā)生部位以及閘門底緣流道。

(a)跌坎附近脈動幅值

3.2 結(jié)構(gòu)動力學分析及振動機理分析

通過結(jié)構(gòu)動力學模態(tài)分析得知閘門自振頻率為1.79Hz，底孔壩段固有頻率為2.94Hz，干濕模態(tài)分析相同，水壓對自振頻率影響不大，而底孔內(nèi)流體脈動優(yōu)勢頻域約為1Hz～2Hz，閘門自振頻率與振頻相吻合。

典型工況沿程優(yōu)勢脈動幅值遞變規(guī)律(圖5)表明：底孔流道內(nèi)有兩個相關(guān)振源，分別位于跌坎位置34#測點附近以及閘門底緣流道16#測點附近，即流態(tài)敏感區(qū)位于泄槽跌坎附近和閘門出口底緣流道中，且泄槽跌坎部位容易形成空化渦，空化渦生成及潰滅過程伴隨著劇烈的壓力脈動，對壓力脈動進行頻譜分析，脈動幅值較大的頻域基本都集中在0.4Hz～3.0Hz之間。

圖5 沿程優(yōu)勢脈動幅值遞變規(guī)律

由表1可知，所有的振動頻率都接近一個范圍，說明振動特性具有某種耦合關(guān)系?？栈瘻u振動通過閘后水舌傳向上游閘門斷面，進而引起底孔出流邊界波動，導致底孔振動。開度較小時水舌薄，空化渦振動向上傳播的波受水面反射衰減快，對底孔的影響??；開度變大后，水舌加厚，振動波傳播強，對底孔振動影響大，這正是開度大時振動明顯的原因。

表1 頻率分析匯總 (單位：Hz)

3.3 流固耦合計算

網(wǎng)格劃分利用Workbench內(nèi)嵌的Fluent Mesh，流固耦合網(wǎng)格分為流體計算域和閘門面板結(jié)構(gòu)。底孔流態(tài)與閘門結(jié)構(gòu)耦合場(見圖6)如下：

(a)流速與閘門結(jié)構(gòu)總位移

(1)底孔流場云圖與CFD計算分析相似,最大流速位于水舌主流區(qū)，流量誤差2.3%；

(2)最大位移在閘門底部，為2.84cm；

(3)最大等效主應力為266MPa，在閘門上緣，上游面為拉力，下游面為壓力，主應變與此保持一致。

通過流固耦合分析與水動力學分析發(fā)現(xiàn)，在相對低頻域范圍內(nèi)，流體脈動幅值最大值均指向泄槽跌坎后測點，與跌坎空化渦發(fā)生位置比較符合，與之前分析得到的振源規(guī)律一致，即由于跌坎后通氣不良，導致跌坎后產(chǎn)生空化渦振動，此振動離工作閘門較近，容易傳播至閘門，導致閘門出流邊界波動，進而引起底孔振動，且流固耦合計算的振動幅值相對要大，表示閘門動邊界對水流脈動影響與跌坎空化渦振動耦合效應明顯。

耦合場壓力脈動測點分布

3.4 工程措施

結(jié)合工程實際及類似工程經(jīng)驗，比較側(cè)壁開孔、跌坎后移、側(cè)壁開通氣槽、側(cè)壁束窄、開槽與束窄結(jié)合等方案，其中側(cè)壁開孔和跌坎后移方案無橫向空氣渦出現(xiàn)。據(jù)此細化為4種方案，分別是：跌坎后移13m、跌坎后移13m并2孔通氣、跌坎后移13m并6孔通氣、跌坎平順過渡方案。跌坎后移方案跌坎部位仍存在空化渦，其他方案各典型頻率下，測點優(yōu)勢振幅值均大幅減小，減振效果對比如下(表2)。為避免跌坎平順過渡方案可能面臨下游泄槽高速水流沖刷及磨蝕問題，并考慮此施工處理對泄槽跌坎部位結(jié)構(gòu)及通氣效果的影響，首選跌坎后移并6孔通氣方案。

表2 減振效果對比

4 現(xiàn)場原型監(jiān)測

現(xiàn)場原型觀測表明，改造后消除了跌坎部位的空化渦，沖沙底孔流道及下游泄槽沖蝕破損率降低為0；在整個開度范圍內(nèi)，壩頂檢修門及啟閉室振動加速度接近于0；跌坎改造前閘門啟閉室內(nèi)異常聲響為97dBA～107dBA，改造后噪聲變化較為平穩(wěn)，且均低于66dBA，噪聲降低31dBA～41dBA；改造前沖砂底孔穩(wěn)定運行區(qū)間為0～1.5m以及4.5m～5.0m，占比40%，改造后穩(wěn)定運行區(qū)變化為0～1.4m以及2.0m～4.0m，占比68%；穩(wěn)定運行區(qū)域增大28%；改造前非穩(wěn)定運行區(qū)間振動加速度在10m/s2～17m/s2范圍內(nèi)變化，改造后非穩(wěn)定運行區(qū)間振動加速度峰值在6m/s2～13m/s2之間，降低4m/s2以上。

5 結(jié)論

針對南歐江五級水電站出現(xiàn)的沖砂底孔振動和異響現(xiàn)象，開展了振動機理和減振技術(shù)研究。采用計算流體動力學方法進行氣液兩相流動模擬，掌握了沖砂底孔流道內(nèi)各個敏感部位的壓力波動頻譜特性時空分布規(guī)律；采用有限元結(jié)構(gòu)動力學進行干模態(tài)和有預應力影響的模態(tài)模擬，確定了閘門結(jié)構(gòu)及底孔壩段的各階振型和自振頻率，揭示了空化渦產(chǎn)生的水擊波是導致振動的機理，為減振改造奠定了理論基礎(chǔ)。首次通過ANSYS2019 R1中的system-coupling模塊構(gòu)建了泄流動邊界流激振動耦合模型，實現(xiàn)了沖砂底孔流道與弧形閘門面板的流固耦合分析，提出并成功實施了跌坎后移加摻氣工程措施，切實解決了工程問題，避免底孔安全事故發(fā)生，延緩庫區(qū)泥沙淤積，確保項目安全可靠運行。研究成果對高水頭、大流量沖砂底孔泄流過程中產(chǎn)生的空化空蝕、底孔及閘門流激振動等類似問題的解決，具有一定的借鑒意義。