機(jī)組水平動(dòng)荷載對(duì)機(jī)墩振動(dòng)反應(yīng)的影響

高朦偉 方朝陽

摘要：水電站發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生激振力，機(jī)墩作為發(fā)電機(jī)組主要支撐部位，其發(fā)生的振動(dòng)現(xiàn)象較廠房結(jié)構(gòu)其他部位明顯。通過建立某水電站地下廠房三維有限元模型，采用諧響應(yīng)法進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，研究實(shí)際工程中在不同機(jī)組水平動(dòng)荷載施加方式下機(jī)墩各典型部位振動(dòng)反應(yīng)的分布規(guī)律。分析結(jié)果表明，機(jī)組水平動(dòng)荷載的施加方式對(duì)機(jī)墩部位的振動(dòng)影響很大，應(yīng)根據(jù)機(jī)組動(dòng)荷載的實(shí)際特性選取合適的施加方式才能充分考慮機(jī)組振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不利影響。

關(guān)鍵詞：機(jī)組水平動(dòng)荷載；施加方式；機(jī)墩；諧響應(yīng)法；振動(dòng)反應(yīng)

中圖分類號(hào)：TV731 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.026

引起廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)的原因主要包括電磁力、機(jī)械力及水力等[1-2]，這些力相互影響、錯(cuò)綜復(fù)雜，隨著水電站廠房尺寸和裝機(jī)容量的增大，在這些力的作用下，廠房結(jié)構(gòu)發(fā)生整體或局部振動(dòng)的可能性加大[3-7]。機(jī)墩部位剛度相對(duì)較低，更容易受到機(jī)組運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)組動(dòng)荷載的影響，從而發(fā)生較為明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。在實(shí)際工程中，發(fā)電機(jī)組制造廠家提供了水電站廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算所需要的機(jī)組動(dòng)荷載參數(shù)，給出了單塊基礎(chǔ)板所承受的各向動(dòng)荷載幅值。對(duì)于軸向和扭轉(zhuǎn)動(dòng)荷載可以等效為豎向和切向力，均勻施加在各基礎(chǔ)板對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；水平離心力的作用可以等效為各基礎(chǔ)板對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上的徑向力[8-9]。但實(shí)際運(yùn)行過程中機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的離心力的方向是不斷變化的，導(dǎo)致各基礎(chǔ)板受力不均勻，并不能保證每塊基礎(chǔ)板上都能同時(shí)達(dá)到廠家提供的徑向荷載數(shù)值，離心力也就不能簡(jiǎn)單地等效為均勻分布的徑向力施加在全部受力基礎(chǔ)板對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

1 計(jì)算模型

某水電站地下廠房主機(jī)間內(nèi)安裝2臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量為246mW，機(jī)組運(yùn)行額定水頭為177m，最大工作水頭為210m，機(jī)組正常轉(zhuǎn)速為250r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為456r/min。地下廠房實(shí)際開挖尺寸為84m×21m×49m（長(zhǎng)×寬×高）；機(jī)墩內(nèi)徑為5.3m，外徑為10.1m；風(fēng)罩內(nèi)徑為10.6m，外徑為11.8m。筆者利用大型通用有限元計(jì)算軟件ANSYS建立相應(yīng)的三維有限元模型，運(yùn)用動(dòng)力有限元基本理論，計(jì)算并分析在不同機(jī)組水平動(dòng)荷載施加方式下機(jī)墩結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)分布規(guī)律。

為使模擬機(jī)墩部位在機(jī)組振動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)反應(yīng)結(jié)果更為準(zhǔn)確，選取2#機(jī)組段建立了廠房整體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型。按照實(shí)際尺寸對(duì)主廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，采用三維實(shí)體單元solid45模擬混凝土結(jié)構(gòu)，殼單元she1163模擬座環(huán)、蝸殼及尾水管鋼襯，質(zhì)量單元mass2l模擬主要機(jī)電設(shè)備及流道中的水，彈簧單元combine14模擬圍巖的約束作用。邊界條件：集水井底部和尾水管底板與圍巖之間的接觸按剛性連接處理，其余部位與圍巖的接觸采用彈性連接處理。計(jì)算模型采用笛卡兒直角坐標(biāo)系：坐標(biāo)系零點(diǎn)在機(jī)組安裝高程處；X軸為水平向，面向下游指向左岸為正；Y軸為豎直向，向上為正；Z軸為順?biāo)飨颍赶蛳掠螢檎?/p>

采用C25混凝土，重度為25kN/m，，泊松比為0.167，動(dòng)彈性模量為36.4GPa；鋼的重度為78.5kN/m3，泊松比為0.3，動(dòng)彈性模量為267.8 GPa；圍巖單位抗力系數(shù)為55kPa/cm。諧響應(yīng)計(jì)算中阻尼比取0.05。廠房三維整體計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為120239，單元總數(shù)為135021。

2 機(jī)組水平動(dòng)荷載施加方式

當(dāng)機(jī)組以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的水平離心力實(shí)際上大小不會(huì)變化但其方向會(huì)隨偏心方向變化而變化，因此需要探討一個(gè)適當(dāng)?shù)氖┘臃绞絹沓浞挚紤]機(jī)組水平動(dòng)荷載對(duì)機(jī)墩結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的不利影響。諧響應(yīng)法是將荷載當(dāng)成簡(jiǎn)諧荷載來計(jì)算，即認(rèn)為荷載方向不會(huì)變化但其幅值會(huì)按照正弦規(guī)律變化。

根據(jù)廠家提供的機(jī)組振動(dòng)荷載資料，選取機(jī)組正常運(yùn)行工況下的機(jī)組動(dòng)荷載作為計(jì)算荷載（見表1），為研究其中的一般規(guī)律，對(duì)不同計(jì)算方案施加的荷載是相同的。

同時(shí)，為研究激勵(lì)頻率對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響，選取荷載振動(dòng)頻率范圍為0～4.17Hz（正常轉(zhuǎn)頻），分為4個(gè)子步（即1.00、2.00、3.00、4.17Hz）進(jìn)行計(jì)算。因本文主要研究機(jī)組水平徑向力的作用方式對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，故將切向和豎向荷載平均施加在6塊基礎(chǔ)板對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。將徑向荷載按照以下3種計(jì)算方案施加：①方案一，假設(shè)徑向力作用均勻分布在6塊基礎(chǔ)板上，各基礎(chǔ)板均承受徑向力，方向指向外側(cè)；②方案二，假設(shè)徑向力作用分布不均勻，只有靠近上游側(cè)4塊基礎(chǔ)板承受徑向力，方向指向外側(cè)；③方案三，假設(shè)各基礎(chǔ)板徑向力分布極不均勻，只有靠近上游側(cè)2塊基礎(chǔ)板承受徑向力，方向指向外側(cè)。

馬震岳等[10]結(jié)合國(guó)內(nèi)外抗振標(biāo)準(zhǔn)，提出了水電站廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，見表2，本文計(jì)算結(jié)果將以此作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)分析

選取定子基礎(chǔ)、上下機(jī)架基礎(chǔ)及機(jī)墩底部截面等振動(dòng)反應(yīng)較明顯的部位作為典型部位進(jìn)行研究，由于各施加方案區(qū)別只在于考慮徑向力作用方式的不同，因此只分析各典型部位的水平最大振動(dòng)位移（見表3）。

從表3可以看出，各方案在4種振動(dòng)頻率下典型部位的水平振動(dòng)位移均小于0.2mm，滿足振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著振動(dòng)頻率的增大，各典型部位的最大振動(dòng)位移逐漸增大，說明荷載振動(dòng)頻率對(duì)振動(dòng)位移影響較大，處于4.17Hz轉(zhuǎn)頻下的機(jī)組動(dòng)荷載更有可能引起機(jī)墩部位出現(xiàn)較大振動(dòng)反應(yīng)。同一振動(dòng)頻率下，基礎(chǔ)板位置不同時(shí)徑向動(dòng)荷載施加方案的計(jì)算位移最大值排序?yàn)榉桨溉?方案二>方案一。由于方案一將機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的離心力分散為全部受力基礎(chǔ)板上360°不同方向上的徑向力，大大削弱了離心力對(duì)機(jī)墩部位產(chǎn)生的破壞影響，因此方案一的振動(dòng)位移計(jì)算結(jié)果較方案二和方案三的結(jié)果小。方案二缺失下游兩塊基礎(chǔ)板上的徑向力，從而對(duì)機(jī)墩部位不平衡受力產(chǎn)生了貢獻(xiàn)，因此在4種振動(dòng)頻率下，方案二各典型部位最大振動(dòng)位移比方案一增大了30%以上，說明方案二的加載方式相比簡(jiǎn)單的將徑向力施加到全部基礎(chǔ)板上的做法更能充分考慮到離心力的不平衡性，對(duì)機(jī)墩部位的振動(dòng)影響更大。方案三進(jìn)一步考慮到徑向力分布的不均勻性對(duì)廠房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，但其各典型部位各向最大振動(dòng)位移在不同計(jì)算頻率下相比方案二增大不多?？紤]到方案三加載方式在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生的可能性較小且相對(duì)于方案二對(duì)機(jī)墩部位振動(dòng)位移的貢獻(xiàn)提升不大，因此方案二的加載方式兼顧了實(shí)際運(yùn)行過程中的概率和不利性，更為合理。各施加方案中，基礎(chǔ)板位置處的最大振動(dòng)位移要遠(yuǎn)大于機(jī)墩底部截面的，其中定子基礎(chǔ)位置附近的最大振動(dòng)位移較大。機(jī)墩底部截面的振動(dòng)位移相對(duì)較小，說明基礎(chǔ)板上直接承受機(jī)組動(dòng)荷載的影響傳遞至機(jī)墩這種下部較大塊體結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)被直接削弱。

各典型部位水平振動(dòng)的最大均方根速度及均方根加速度見表4、表5。

從表4可以看出，各典型部位水平振動(dòng)的最大均方根速度與相應(yīng)最大振動(dòng)位移分布規(guī)律一致。不同振動(dòng)頻率下各典型部位的最大振動(dòng)速度排序?yàn)榉桨溉?方案二>方案一。因?yàn)檎駝?dòng)速度與振動(dòng)頻率成正比關(guān)系，所以4.17Hz轉(zhuǎn)頻下的振動(dòng)速度最大。由表5可知，不同機(jī)組水平動(dòng)荷載施加方案下最大均方根加速度與最大均方根速度的排序關(guān)系一致，最大值出現(xiàn)的位置也相同。4.17Hz轉(zhuǎn)頻中最大均方根加速度相比其他振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)計(jì)算值大得多，說明機(jī)組動(dòng)荷載的計(jì)算頻率對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度和加速度影響很大。當(dāng)計(jì)算荷載振動(dòng)頻率取4.17Hz時(shí)，徑向最大均方根加速度為0.0508m/s2，出現(xiàn)在定子基礎(chǔ)位置，切向最大均方根加速度為0.0558m/s2，同樣出現(xiàn)在定子基礎(chǔ)位置，均遠(yuǎn)小于水電站主廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值（1.0m/s2）。

4 結(jié)論

針對(duì)實(shí)際工程中機(jī)組制造廠家提供單塊基礎(chǔ)板上受力荷載的情況，重點(diǎn)計(jì)算并分析了不同機(jī)組水平動(dòng)荷載施加方式對(duì)機(jī)墩部位振動(dòng)反應(yīng)的影響，得出以下結(jié)論：

（1）考慮機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的離心力的不同等效作用方式對(duì)機(jī)墩部位的動(dòng)力響應(yīng)有很大影響。在實(shí)際工程中，可以將廠家提供的基礎(chǔ)板上切向和豎向動(dòng)荷載等效施加在對(duì)應(yīng)的全部受力基礎(chǔ)板上，而徑向動(dòng)荷載應(yīng)考慮各基礎(chǔ)板上荷載不均勻分布的特性選取較為合理的施加方式。

（2）在機(jī)組動(dòng)荷載作用下廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元計(jì)算中，動(dòng)荷載的計(jì)算頻率對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大。各典型部位水平振動(dòng)的最大均方根速度與最大動(dòng)位移分布規(guī)律一致，振動(dòng)速度與振動(dòng)頻率成正相關(guān)關(guān)系，最大均方根加速度與最大均方根速度之間也有類似關(guān)系。

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