1.湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司 湖南省长沙市 410213
2.湖南省东江水力发电厂 湖南省资兴市 423000
摘要：针对黑麋峰抽水蓄能电站高水头、高转速、双向运转、过渡过程复杂等特点，采用三维动力有限元法计算机组支撑结构的自振特性，对机组支撑结构的振源机理进行探讨，对可能出现共振的振源及振源动力特性研究，判断与其发生共振的可能性，为今后抽水蓄能电站地下厂房结构的整体动力特性优化、抗振设计提供了理论依据与参考。
关键词：厂房结构?；自振特性；振动振源；有限元
1 引言
抽水蓄能电站一般建于地下，厂房结构的特点是孔口多、体形复杂，使整体刚度和局部刚度都受到一定影响。在电站运行时，厂房结构除了在安装部位承受机组及其他设备自重引起的静载荷和蜗壳中的水压作用外，还存在多种动载荷作用。结构在动载荷作用下会引起振动，设计的不合理，就可能引起结构的共振。岩滩、东江等常规电站和广蓄、天荒坪等抽水蓄能电站的运行实践表明，厂房振动是影响水电站正常运行的主要因素之一。厂房结构的振动，除建于地震区由于地震荷载而引起的振动外，在厂房内部主要来自于机组的振动，而原因又较为复杂，必须进行详细的测试、分析，以确定机组的振源、传播途径、振动大小、频率以及对厂房的影响。
2 工程概况
黑麋峰抽水蓄能电站位于湖南省长沙市望城区桥驿镇境内，是湖南省第一座抽水蓄能电站。电站安装4台单机容量300MW单级立轴混流可逆式机组，总装机容量为1200MW，发电工况额定水头295m。蜗壳进口断面直径2.8m，蜗壳进口中心线最大动水头490.5m、最大静水头385.0m，蜗壳进口中心线最小静水头361.5m。风罩、机墩、蜗壳及蜗壳外包混凝土的结构型式和工作性能直接影响发电厂房的运行安全。
3 厂房结构自振特性分析
3.1 自振特性
黑麋峰抽水蓄能电站为地下厂房结构，自振特性分析模型包括座环、钢蜗壳、蜗壳外围混凝土、部分围岩、机墩、风罩及发电机层楼板等。所有楼板、廊道、梁、柱等混凝土结构均按其实际体形尺寸进行模拟。模态分析中，结构自振频率和振型计算采用子空间迭代技术，其内部使用广义Jacobi迭代算法，采用完整的[K]和[M]矩阵，有较高的计算精度。计算提取前30阶模态。
根据计算结果，厂房整体横河向振动频率14.744Hz，水轮机层以上结构顺河向振动频率15.443Hz，水轮机层以上结构横河向扭振频率17.766Hz，一象限母线层楼板垂直振动频率29.585Hz，二象限的楼板、梁柱垂直振动频率27.502Hz，三象限的楼板垂直振动频率33.578Hz，发电机层楼板垂直扭振频率38.265Hz，因此可以看出：
(1) 对整个厂房结构而言，由于机组段之间设有分缝，沿厂房上下游方向刚度较大，因此，厂房结构的第一阶模态主要表现为厂房纵轴线方向的整体水平振动,且高程越高变化越明显。
(2) 水轮机层到发电机层高度较大，约12.2m，由于母线层的存在，且整个厂房都是采用厚板结构为主，结构整体抗振的效果良好。发电机层楼板和母线层楼板在高频可能发生垂直振动。另外，发电机层和母线层都有尺寸较大的吊物孔，对楼板的整体刚度削弱较大，表现在模态中频率高于25Hz时，经常在一、二、三象限发电机层和母线层的楼板和立柱发生垂直向振动，所以这些部位的楼板应该作为抗振设计的重点。
3.2 强迫振动振源与激振频率
为了避免共振的发生，有必要对引起厂房结构振动的振源及其频率进行分析，与厂房结构的自振频率进行初步的共振校核，并提出相应的工程措施。
由于机组激振频率伴随机组运行而成，因此下面主要分析运行期的情况。已知本工程机组额定转速ｎ=300 r/min，飞逸转速=490 r/min。结合黑麋峰抽水蓄能电站工程的具体情况，可以初步得出由于机械力、电磁力和水流脉动形成的强迫振动振源和频率。
(1)机械原因
主轴偏心振动频率:5.0，8.167Hz；
转动和固定部位碰撞振动频率:5.0，8.167Hz；
轴承间隙过大，主轴过细振动频率:5.0，8.167Hz；
主轴法兰推力轴承安装不良和轴曲振动频率:5.0，8.167Hz。
(2)电气原因
定子极频振动频率:100Hz；
推力轴承制造不良振动频率:60Hz；
发电机定子与转子气隙不对称振动频率:5.0，8.167Hz；
不均匀磁拉力振动频率:5.0，10.0，15.0、20.0Hz；
发电机线圈短路振动频率:5.0Hz；
发电机定子铁芯机座合缝不严振动频率:50，75，100Hz；
（3）水力原因
尾水管内的涡带摆动引起的振动频率:1.25Hz；
蜗壳中水流不均匀引起的振动频率:45Hz；
卡门涡引起的振动频率：80，115，150Hz；
水轮机转轮叶片汽蚀引起的振动频率：100，200，300Hz；
转轮叶片和导叶间水力冲击引起的振动频率：750Hz。
3.3 厂房结构激振初步分析和共振校核
根据得到的机组和厂房结构振动的各种干扰力激振频率，以及厂房结构的自振频率，按照水电站厂房设计规范SL/266-2001中有关结构共振校核规定，就可以对厂房结构是否发生共振进行校核。校核标准为：结构自振频率和强迫振动频率之差与两者之大值的比值应大于20～30%。除了对结构基频进行共振校核外，还应适当考虑激振振源与结构高阶自振频率产生共振的可能性，这里拟对结构前10阶的自振频率进行共振校核。根据计算得到的厂房结构自振频率和激振主频率，对黑麋峰抽水蓄能电站蜗壳及其上部结构进行共振校核，结果见表1。
表1 共振校核表
注：1.表中激振频率按从小到大的顺序重排序号；
2.表中有数据处为可能的共振区，空白处为非共振区
从表1可以看出：
(1) 根据制造厂家提供的资料，机组固有振动频率为：额定转速时5.0Hz，飞逸转速时8.167Hz。结构基频与机组额定转速时的固有频率相比，两者相差较远，不会产生共振，说明结构本身是能满足要求的。
(2) 厂房自振频率与不均匀磁拉力引起的电气振动（15Hz、20Hz）相比，通常介于20～30%的范围内，即不均匀磁拉力引起厂房振动的可能性比较大。
(3) 厂房高阶自振频率与蜗壳中水流不均匀引起的振动（45Hz）相比，通常介于30%的范围内。因此由于水流不均匀引起振动的可能性比较大，应该采取相应措施避免厂房共振。
结论:厂房抗振分析表明，厂房结构可能发生共振的激振振源主要来自不均匀磁拉力、水流不均匀等方面，因此对水轮发电机组的设计水平、制造工艺和安装精度要特别予以注意。同时，一、二、三象限的楼板和梁柱为薄弱部位，易引起振动破坏，影响机组的正常运行，为此，在厂房的抗振设计中，对此应予以更多的重视。
参考文献
[1]董毓新，李彦硕．水电站建筑物结构分析[M]．大连理工大学出版社，1995．
[2]马震岳，董毓新．水电站机组及厂房振动的研究与治理．北京：中国水力水电出版社
论文作者:刘康波1,邓江辉2,祝加勇1
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第12期
论文发表时间:2017/12/12
标签：频率论文; 结构论文; 厂房论文; 楼板论文; 机组论文; 电站论文; 发电机论文; 《建筑科技》2017年第12期论文;