練繼建，張 龑，劉 昉，余曉華

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072;2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安 710065)

水電站采用燈泡貫流式機(jī)組的廠頂溢流式布置，是近年我國(guó)工程建設(shè)中新的結(jié)構(gòu)型式。其泄洪表孔從廠房運(yùn)行層與主機(jī)層間通過(guò)，排沙孔從水輪機(jī)流道側(cè)壁通過(guò)。在泄洪表孔、排沙孔泄洪的同時(shí)，機(jī)組仍要運(yùn)行發(fā)電，使廠房結(jié)構(gòu)不僅成為貫流式機(jī)組支撐體，也成為泄流流激振動(dòng)載體。機(jī)組運(yùn)行及泄流誘發(fā)的廠壩振動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性及安全可靠性影響成為一項(xiàng)新的研究課題。

機(jī)組運(yùn)行與泄流過(guò)程中引起廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)的動(dòng)荷載種類較多，振動(dòng)響應(yīng)頻率各不相同。在缺乏實(shí)測(cè)資料情況下，廠房振動(dòng)中各種動(dòng)荷載引起的動(dòng)力響應(yīng)程度難以可靠估計(jì)。以往多采用數(shù)值模擬結(jié)合模型試驗(yàn)，從機(jī)組運(yùn)行及泄流等方面研究廠房振動(dòng)特性［1－3］。而目前與此種型式類似的工程實(shí)例及振源研究成果尚少見。為此，本文據(jù)某水電站原型觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)通頻振動(dòng)信號(hào)分析，獲得各主要頻帶動(dòng)力響應(yīng)，探討機(jī)組運(yùn)行時(shí)各振源頻率對(duì)廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響，并對(duì)各種動(dòng)荷載作用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 測(cè)點(diǎn)布置與工況說(shuō)明

某水電站樞紐工程由河床式廠房、廠內(nèi)泄洪表孔、泄水底孔、排沙孔及左右岸副壩等建筑物組成。電站在主河道布置五臺(tái)貫流機(jī)組，單機(jī)容量48 MW，額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min，額定流量335 m3/s，額定水頭16.1 m。廠房壩段為一機(jī)一縫，分別在1、3、4號(hào)機(jī)組壩段左側(cè)設(shè)置排沙孔。五孔泄洪表孔布置在水輪發(fā)電機(jī)層上部，孔口寬度與流道寬度相同。

本試驗(yàn)在廠壩結(jié)構(gòu)與表孔平板鋼閘門上共布置43個(gè)振動(dòng)位移傳感器及4個(gè)脈動(dòng)壓力傳感器。其中，振動(dòng)位移傳感器垂直方向布置在機(jī)組上下游側(cè)蓋板、管形座、廠房、導(dǎo)墻各斷面及閘門測(cè)點(diǎn)，水平順河向在上下游側(cè)蓋板、管形座、廠房?jī)?nèi)各斷面、壩頂下游及閘門各測(cè)點(diǎn)，水平橫河向在上游側(cè)蓋板、管形座、導(dǎo)墻各斷面及壩頂下游各測(cè)點(diǎn)等結(jié)構(gòu)較薄弱及敏感部位，脈動(dòng)壓力傳感器布置在溢流表孔底板各斷面。機(jī)組、廠房各結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 4號(hào)廠房壩段及機(jī)組結(jié)構(gòu)斷面示意圖Fig.1 The 4th powerhouse dam section and unit structure

原型觀測(cè)共進(jìn)行三種工況試驗(yàn)。工況一:4號(hào)機(jī)組運(yùn)行，3號(hào)排沙孔關(guān)閉，表孔不泄洪變負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn);工況二:4號(hào)機(jī)組關(guān)閉(相鄰機(jī)組運(yùn)行)，3號(hào)排沙孔全開，表孔閘門逐漸開啟試驗(yàn);工況三:3號(hào)排沙孔全開，表孔局開2.6 m，4號(hào)機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)。

2 振源頻率理論及實(shí)測(cè)分析

2.1 振源理論計(jì)算

機(jī)組振動(dòng)引起廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)的原因主要有水力、機(jī)械、電氣三因素［6］。對(duì)燈泡貫流式機(jī)組而言，水力脈動(dòng)引起的振動(dòng)是機(jī)組振動(dòng)主要原因，其表現(xiàn)形式為:①渦帶振動(dòng)，由尾水管中心附近產(chǎn)生具有某個(gè)邊界層的旋轉(zhuǎn)渦帶產(chǎn)生;② 卡門渦，只在葉片形狀及尺寸不適當(dāng)時(shí)出現(xiàn);③ 狹縫射流，由于轉(zhuǎn)輪葉片工作面及背面存在壓力差，在輪葉外緣與轉(zhuǎn)輪室間狹窄縫隙中形成一股速度較高、壓力較低的射流;④ 協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確，不僅使機(jī)組出力、轉(zhuǎn)速發(fā)生振蕩，且在水導(dǎo)軸承、組合軸承處引起軸向振動(dòng);⑤ 其他。機(jī)械引起的振動(dòng)，主要由水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)制造、安裝誤差所致。如軸線曲折、傾斜，推力軸承安裝不良及導(dǎo)軸承間隙過(guò)大等。電磁振動(dòng)主要由水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)不合理或制造、安裝不當(dāng)產(chǎn)生的電磁力所致。水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，因磁拉力、三相不平衡，推力瓦制造不良;發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子氣隙不對(duì)稱及定子鐵芯機(jī)座合縫不嚴(yán)等均會(huì)引起機(jī)組與機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

溢流式廠房泄流時(shí)動(dòng)水荷載及脈動(dòng)也會(huì)引發(fā)廠房振動(dòng)。水舌沖擊房頂脈動(dòng)荷載優(yōu)勢(shì)頻率較低，脈動(dòng)能量分布在3 Hz以下［4］，漫灣廠頂挑越式水電站、新安江及修文溢流式水電站等原型觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，廠房頂脈動(dòng)壓力能量分布在 2 Hz以下［5－6］。

據(jù)已有理論成果［4－9］，獲得該水電站廠房?jī)?nèi)機(jī)組運(yùn)行主要振源頻率見表1。

表1 振源類型及頻率Tab.1 Vibration source types and frequencies

2.2 振源實(shí)測(cè)分析

經(jīng)頻譜分析，分別對(duì)各工況中測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)主頻出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)測(cè)主頻分布見圖2～圖4。

由三圖看出，頻率在 0 ～2 Hz、3.5 Hz、8.94 Hz倍頻及80 Hz以上均有分布。其中8.94 Hz出現(xiàn)次數(shù)占各測(cè)點(diǎn)主頻出現(xiàn)次數(shù)的半數(shù)以上。三種工況主要振源頻率為 0.30 ～0.60 Hz、1.783 Hz、1.785 Hz、3.233 Hz、3.57 Hz、3.733 Hz、5.50 Hz、8.91 Hz、8.925 Hz、8.933 Hz、8.94 Hz、10.73 Hz、13.62 Hz、26.80 Hz、35.75 Hz、37.53 Hz、43.8 Hz、44.25 Hz、46.47 Hz、44.68 Hz、53.54 Hz、53.62 Hz、62.55 Hz、71.48 Hz、80.42 Hz、82.22 Hz、89.37 Hz、90.40 Hz、91.15 Hz等。

圖2 工況一主頻出現(xiàn)次數(shù)Fig.2 The number of dominant frequency appeared in the first condition

圖3 工況二主頻出現(xiàn)次數(shù)Fig.3 The number of dominant frequency appeared in the second condition

圖4 工況三主頻出現(xiàn)次數(shù)Fig.4 The number of dominant frequency appeared in the third condition

圖5、圖6為工況二與工況三的溢流表孔典型測(cè)點(diǎn)時(shí)程及頻譜圖。由二圖看出，壓力脈動(dòng)頻譜主峰分布在0.2 ～1.77 Hz之間。主要振源頻率為0.20 Hz、0.28 Hz、0.30 Hz、0.33 Hz、0.38 Hz、0.42 Hz、0.47 Hz、0.50 Hz、0.53 Hz、0.60 Hz、0.72 Hz、0.73 Hz、0.78 Hz、0.93 Hz、1.02 Hz、1.18 Hz、1.40 Hz、1.77 Hz、1.92 Hz 等。與理論經(jīng)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖5 工況二表孔A斷面測(cè)點(diǎn)水壓脈動(dòng)時(shí)程及頻譜曲線Fig.5 The pressure pulsation time line and the power spectral density curve of cross section A on surface hole in second condition

圖6 工況三表孔C斷面測(cè)點(diǎn)水壓脈動(dòng)時(shí)程及頻譜曲線Fig.6 The pressure pulsation time line and the power spectral density curve of cross section C on surface hole in third condition

2.3 振源組成

由理論計(jì)算與實(shí)測(cè)分析知，影響廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)較大頻率成分主要有低頻、轉(zhuǎn)頻、倍頻及狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率及倍頻、高頻等。

(1)低頻成分。主要由機(jī)組運(yùn)行的水力及泄流產(chǎn)生的水流脈動(dòng)所致。而水力振動(dòng)區(qū)尾水渦帶擺動(dòng)又是低頻振源的主要成分。工況一實(shí)測(cè)低頻振動(dòng)在0.37～0.51 Hz范圍內(nèi)，約為轉(zhuǎn)頻的 1/5.0 ～1/3.0，屬典型尾水渦帶擺動(dòng)頻率;工況二、三的低頻在0.20～2.12 Hz均有分布，除集中于0.37～0.59 Hz為尾水渦帶及渦帶倍頻外，主要為水流脈動(dòng)頻率。其主要體現(xiàn)為:① 二、三工況機(jī)組上下游側(cè)蓋板各向振動(dòng)、廠房結(jié)構(gòu)垂向、閘門大開度時(shí)廠房其它部位，多為主頻;② 各工況導(dǎo)墻上游斷面測(cè)點(diǎn)各向振動(dòng)，常為主頻;③ 次頻或更高階頻率幾乎出現(xiàn)在二、三工況所有振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。

(2)轉(zhuǎn)頻及倍頻成分。轉(zhuǎn)頻為機(jī)組旋轉(zhuǎn)主頻率。該水電站機(jī)組額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min，轉(zhuǎn)頻在1.785 Hz附近。分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)頻尤其2倍轉(zhuǎn)頻作為主頻常出現(xiàn)在廠房各部位測(cè)點(diǎn)的各向振動(dòng)中。

(3)狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率及倍頻成分。據(jù)理論計(jì)算，該水電站狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率為8.925 Hz，屬中頻振動(dòng)，并體現(xiàn)在各工況所有測(cè)點(diǎn)的各向振動(dòng)中，常為主頻。

(4)高頻成分。本次測(cè)試中高頻成分主要包括:82.64～89.23 Hz頻率卡門渦引起的振動(dòng)，并作為主頻在各工況各測(cè)點(diǎn)中偶爾出現(xiàn)。

3 各種動(dòng)荷載對(duì)廠房結(jié)構(gòu)影響

3.1 主要測(cè)點(diǎn)振動(dòng)峰值占各分頻比重

本試驗(yàn)廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試選擇廠房頂(廠房?jī)?nèi)高程1 732.00 m)上各斷面測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果采用平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程95%置信度雙幅值。以中間B斷面測(cè)點(diǎn)為例，說(shuō)明振動(dòng)峰值時(shí)各分頻所占的比重及對(duì)廠房結(jié)構(gòu)影響。

負(fù)荷為48 MW時(shí)，水平順河向振動(dòng)值最大為1.98 μm。該點(diǎn)對(duì)應(yīng)功率譜圖主頻為8.94 Hz，是狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率。由圖7看出，該頻率及倍頻所占比例達(dá)64.8%，轉(zhuǎn)頻及倍頻成分占14.1%，低頻與高頻成分占比重均小于10%。垂向振動(dòng)最大值也出現(xiàn)在48 MW負(fù)荷工況，振幅1.59 μm，主頻35.74 Hz的狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起振動(dòng)頻率倍頻。由圖8看出，該分頻所占比例為71.4%，轉(zhuǎn)頻成分所占比例相對(duì)水平順河向明顯減少?？傊?，各分頻能量對(duì)該工況水平順河向與垂向影響基本一致。

4號(hào)表孔單獨(dú)泄流時(shí)測(cè)點(diǎn)各向振動(dòng)出現(xiàn)最大值頻率比重見圖9。水平順河向振動(dòng)最大值出現(xiàn)在閘門開度 5.5 m，振幅 2.32 μm，主頻 6.05 Hz的水流中頻脈動(dòng)。由圖9看出，狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率占比較大為45.1%，但相對(duì)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行工況時(shí)減少近20%。泄流引起的水流荷載頻率使低頻比重增加到12.8%。而轉(zhuǎn)頻及倍頻在該工況所占比重明顯增加。

垂向振動(dòng)最大值在閘門開度9.5 m處，振幅1.79 μm，主頻0.51 Hz的水流荷載脈動(dòng)。由圖10看出，雖泄流產(chǎn)生的水流脈動(dòng)頻率使低頻比重增加到28.6%，狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率及倍頻比重相對(duì)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行工況減少近30%，但仍為振動(dòng)主要成分。

圖7 工況一廠房B斷面測(cè)點(diǎn)水平順河向振動(dòng)(48MW)Fig.7 The downriver vibration of the powerhouse cross section B in the first condition(48 MW)

圖8 工況一廠房B斷面測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)(48 MW)Fig.8 The vertical vibration of the powerhouse cross section B in the first condition(48 MW)

圖9 工況二廠房B斷面測(cè)點(diǎn)水平順河向振動(dòng)(局開5.5 m)Fig.19 The downriver vibration of the powerhouse cross section B in the second condition(partial gate opening 5.5 m)

圖10 工況二斷面廠房B斷面測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)(局開9.5 m)Fig.10 The vertical vibration of the powerhouse cross section B in the second condition(partial gate opening 9.5 m)

圖11 工況三B斷面測(cè)點(diǎn)水平順河向振動(dòng)(24 MW、2.6 m)Fig.11 The downriver vibration of the powerhouse cross section B in the third condition(24 MW，2.6 m)

圖12 工況三B斷面測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)(24 MW、5.5 m)Fig.12 The vertical vibration of the powerhouse cross section B in the third condition(24 MW，5.5 m)

4號(hào)表孔與機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，水平順河向振動(dòng)最大值出現(xiàn)在負(fù)荷24 MW，幅值2.05 μm。由圖11看出，主頻8.91 Hz所在狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率及倍頻比例為44.5%，與單獨(dú)泄流工況時(shí)基本相同。渦帶振動(dòng)、水流脈動(dòng)所在低頻部分比重較前兩工況有所增加，達(dá)25.7%，高頻占比減到2.94%，轉(zhuǎn)頻所占比重與機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)相同。垂向振動(dòng)最大值在負(fù)荷24 MW時(shí)，幅值1.52μm，主頻為0.34 Hz的水流荷載脈動(dòng)。主頻所在低頻占比25.6%，高于機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行工況，低于單獨(dú)泄流工況。狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率及倍頻仍占較大比例，各項(xiàng)分頻比重與垂向基本相同。

由圖12看出，單獨(dú)泄流工況水輪機(jī)狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率所占比例仍大于水流荷載為主的低頻比例。以上分析表明，雖泄流產(chǎn)生的水流脈動(dòng)對(duì)廠房各向振動(dòng)有一定影響，但機(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生的狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)是廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要能量來(lái)源。

3.2 各種工況下分頻引起的振動(dòng)

設(shè)某工況下分頻振動(dòng)所占總振動(dòng)能量為:

其中:e為各分頻振動(dòng)能量，E為振動(dòng)總能量。將xi劃分為0 ～ 0.1，0.1 ～ 0.2，...，0.9 ～ 1.0 十個(gè)區(qū)間段，對(duì)所有工況xi進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，獲得各區(qū)間內(nèi)總數(shù)si。則該段能量區(qū)間工況測(cè)點(diǎn)數(shù)占總統(tǒng)計(jì)工況測(cè)點(diǎn)數(shù)百分比為:

其中:m為總統(tǒng)計(jì)工況測(cè)點(diǎn)數(shù)。圖15～圖20僅給出三種工況低頻及狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率及倍頻統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并采用標(biāo)準(zhǔn)差(振動(dòng)位移瞬時(shí)值采樣所得表征動(dòng)位移序列偏離均值程度的統(tǒng)計(jì)參數(shù))進(jìn)行能量表征。

由圖13、圖14看出，機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行工況，狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)所占分頻能量百分比加權(quán)最大，80%測(cè)點(diǎn)該段分頻占振動(dòng)總能量比重在0.5～0.8之間，而90%測(cè)點(diǎn)其余各分頻成分占振動(dòng)總能量比重在0～0.2之間。對(duì)引起振動(dòng)幅值的絕對(duì)值水平向振動(dòng)，通頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為1.07 μm，不同負(fù)荷工況，由狹縫射流等引起的振動(dòng)最大，標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.55 μm，轉(zhuǎn)頻及倍頻引起振動(dòng)次之，為0.24 μm，低頻引起的振動(dòng)振幅為 0.18 μm，高頻引起的振動(dòng)最小，僅0.08 μm;對(duì)垂向振動(dòng)，通頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為0.64 μm，狹縫射流等引起的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.44 μm，其它頻率引起的振動(dòng)最大標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)0.10 μm。

圖13 工況一低頻成分比重Fig.13 The low frequency proportion in the first condition

圖14 工況一狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)等成分比重Fig.14 The slot jet impingement，the vibration of runner blade proportion in the first condition

圖15 工況二低頻成分比重Fig.15 The low frequency proportion in the second condition

圖16 工況二狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)等成分比重Fig.16 The slot jet impingement，the vibration of runner blade proportion in the second condition

圖17 工況三低頻成分比重Fig.17 The low frequency proportion in the third condition

圖18 工況三狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)等成分比重Fig.18 The slot jet impingement，the vibration of runner blade proportion in the third condition

由圖15、圖16看出，單獨(dú)泄流工況中，由于泄流產(chǎn)生水流脈動(dòng)，低頻所占比重有所增加，0.1～0.2區(qū)間內(nèi)的測(cè)點(diǎn)數(shù)減少到70%，0.4～0.6區(qū)間的測(cè)點(diǎn)超過(guò)了10%。但是，狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)所占分頻能量的百分比加權(quán)仍然最大，近55%的測(cè)點(diǎn)集中在0.5～0.7區(qū)間，其他頻率在0～0.2區(qū)間的測(cè)點(diǎn)數(shù)仍在90%左右。從引起振動(dòng)幅值的絕對(duì)值情況來(lái)看，對(duì)于水平向振動(dòng)，通頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為1.14 μm，由狹縫射流等引起的振動(dòng)最大，標(biāo)準(zhǔn)差最值為0.86 μm，轉(zhuǎn)頻及其倍頻引起振動(dòng)次之，為0.32 μm，低頻為0.29 μm;從垂向振動(dòng)來(lái)看，通頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為0.61 μm，狹縫射流等引起的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.50 μm，低頻為0.40 μm，其它頻率引起的振動(dòng)在 0.1 μm左右。

由圖17、圖18看出，4號(hào)表孔與機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行工況各分頻能量加權(quán)比重與單獨(dú)泄流工況相似。對(duì)引起振動(dòng)幅值的絕對(duì)值的水平向振動(dòng)，通頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為1.07 μm，各工況下，由狹縫射流等引起的振動(dòng)最大，標(biāo)準(zhǔn)差最大值 0.73 μm，低頻引起的振動(dòng)次之，0.27 μm;對(duì)垂向振動(dòng)，通頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為0.82 μm，狹縫射流等引起的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差最大值為0.57 μm，低頻為0.32 μm，其它頻率引起的振動(dòng)最大標(biāo)準(zhǔn)差在0.1 μm左右。

由各分頻能量對(duì)總振動(dòng)響應(yīng)的貢獻(xiàn)分析看出，機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行工況，80%測(cè)點(diǎn)狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)所產(chǎn)生的能量占振動(dòng)總能量比重在0.5～0.8區(qū)間，其余工況也有50%以上測(cè)點(diǎn)在該區(qū)間。而泄流產(chǎn)生的能量對(duì)廠房振動(dòng)總能量貢獻(xiàn)有限，單獨(dú)泄流工況與4號(hào)表孔及機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行工況70%以上測(cè)點(diǎn)低頻成分所占比重在0～0.2區(qū)間內(nèi)。

對(duì)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差，由各分頻在三種工況狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的水平向振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差差別不大，工況二、三低頻成分振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值相近，且大于機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行工況該頻率振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差。垂向振動(dòng)各分頻標(biāo)準(zhǔn)差聯(lián)合工況數(shù)值最大，單獨(dú)泄流工況次之，機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行工況最小。對(duì)原始信號(hào)而言，水平向振動(dòng)，泄流工況與4號(hào)表孔和機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行工況振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差相似，機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行工況最小，垂向振動(dòng)幅值各工況差別不大。

以上現(xiàn)象說(shuō)明:泄流使廠房水平向及垂向振動(dòng)加劇，但機(jī)組振動(dòng)仍為廠房各向振動(dòng)主要振源;泄流工況4號(hào)機(jī)組關(guān)閉，但相鄰機(jī)組運(yùn)行，說(shuō)明相鄰機(jī)組傳遞到4號(hào)機(jī)組的振動(dòng)大于泄流所致廠房振動(dòng)。

3.3 分頻振動(dòng)隨負(fù)荷變化

廠房頂(廠房?jī)?nèi)1 732.00 m高程)B斷面測(cè)點(diǎn)各向通頻振動(dòng)信號(hào)、低頻及狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率及倍頻隨負(fù)荷及閘門開度的變化曲線見圖19～圖24。

圖19 工況一各振源成分引起水平順向振動(dòng)Fig.19 The downriver vibration induced by different vibration sources in the first condition

圖20 工況一各振源成分引起垂向振動(dòng)Fig.20 Vertical vibration induced by different vibration sources in the first condition

圖21 工況二各振源成分引起水平順向振動(dòng)Fig.21 The downriver vibration induced by different vibration sources in the second condition

圖22 工況二各振源成分引起垂向振動(dòng)Fig.22 Vertical vibration induced by different vibration sources in the second condition

圖23 工況三各振源成分引起水平順向振動(dòng)Fig.23 The downriver vibration induced by different vibration sources in the third condition

圖24 工況三各振源成分引起垂向振動(dòng)Fig.24 Vertical vibration induced by different vibration sources in the third condition

由以上諸圖看出，機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行工況，狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)分量較大，引起的廠房結(jié)構(gòu)各向振動(dòng)隨負(fù)荷變化與通頻振動(dòng)變化規(guī)律基本相同。低頻振動(dòng)分量幅值較小，約0.1 μm，隨負(fù)荷變化規(guī)律性差。其它分頻振動(dòng)分量標(biāo)準(zhǔn)差低于0.1 μm。轉(zhuǎn)頻分量引起各向振動(dòng)變化規(guī)律較差，高頻成分變化規(guī)律較好。

單獨(dú)泄流工況狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差大于其它振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差，引起的各向振動(dòng)隨閘門開度變化規(guī)律與通頻振動(dòng)變化規(guī)律基本相同。低頻振動(dòng)分量幅值有所增加，但隨閘門開度變化規(guī)律性仍較差。其余分頻振動(dòng)分量低于0.1 μm。轉(zhuǎn)頻分量引起的各向振動(dòng)規(guī)律與通頻振動(dòng)規(guī)律相似，高頻成分變化規(guī)律較差。

4號(hào)表孔與機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，各分頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差幅值大小與前兩工況相近。區(qū)別在于水平順河向各分頻引起振動(dòng)變化規(guī)律均與通頻振動(dòng)隨負(fù)荷變化規(guī)律相似，差別較其它工況小。垂向中除轉(zhuǎn)頻及倍頻，其余分頻變化規(guī)律與通頻振動(dòng)有所不同，尤其在狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)頻率區(qū)及低頻區(qū)更明顯。

通過(guò)對(duì)該水電站原型觀測(cè)資料分析知，單獨(dú)泄流工況中，對(duì)該電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響最大的是機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)，而泄流產(chǎn)生的水流脈動(dòng)雖有影響，但極有限，因單獨(dú)泄流工況4號(hào)機(jī)組停機(jī)，但相鄰機(jī)組仍在運(yùn)行。而相鄰機(jī)組振動(dòng)對(duì)廠房結(jié)構(gòu)影響遠(yuǎn)大于4號(hào)表孔泄流本身對(duì)廠房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，即泄流對(duì)廠房振動(dòng)影響較有限。

4 結(jié)論

(1)水平順河向以及垂向三個(gè)工況主要測(cè)點(diǎn)振動(dòng)達(dá)最大值時(shí)，各分頻中狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起的振動(dòng)占比重最大，達(dá)71.4%;

(2)分頻中狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起振動(dòng)的作用最強(qiáng)烈，振動(dòng)能量在大部分情況下占振動(dòng)總能量的50% ～70%，而其它頻率成分大部分占總能量10%～20% 以內(nèi);

(3)從各分頻振動(dòng)隨負(fù)荷及閘門開度變化看出，多數(shù)情況下，狹縫射流、轉(zhuǎn)輪葉片振動(dòng)與協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引起振動(dòng)隨負(fù)荷的變化與通頻振動(dòng)變化規(guī)律相似，且振動(dòng)幅值整體高于其它分頻振動(dòng)幅值;

(4)動(dòng)水壓力誘發(fā)廠房振動(dòng)較微弱，對(duì)廠房結(jié)構(gòu)運(yùn)行與安全不會(huì)產(chǎn)生大的影響。

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