藏木水電站脈動(dòng)壓力下廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

侯 攀,江 波

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

藏木水電站脈動(dòng)壓力下廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

侯 攀,江 波

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

藏木水電站廠房為壩后式廠房，采用“兩機(jī)一縫”的布置型式，且中間機(jī)組段的水輪發(fā)電機(jī)組由兩個(gè)廠家提供，機(jī)組特性及結(jié)構(gòu)形式存在一定差異，水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)對(duì)廠房結(jié)構(gòu)影響機(jī)理復(fù)雜。本文開(kāi)展數(shù)值分析，研究及評(píng)價(jià)流道內(nèi)水力脈動(dòng)作用下廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，通過(guò)多方案比較、計(jì)算成果表明，藏木水電站廠房振動(dòng)響應(yīng)總體不大，廠房整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

兩機(jī)一縫；水力脈動(dòng)；諧響應(yīng)分析；動(dòng)力響應(yīng)

1 概 述

藏木水電站采用壩后式廠房，廠房?jī)?nèi)安裝6臺(tái)單機(jī)容量85 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量510 MW，多年平均年發(fā)電量25.008億kW·h。電站引用流量1 071.3 m3/s，單機(jī)引用流量178.55 m3/s。機(jī)組額定水頭53.5 m，最大水頭67 m，最小水頭44.30 m，最大水錘升壓水頭約為94.2 m。蝸殼進(jìn)口斷面直徑6.1 m，HD值為574 m2，采用墊層蝸結(jié)構(gòu)形式。

藏木水電站采用“兩機(jī)一縫”的布置型式，且機(jī)組由兩個(gè)廠家提供，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)為哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)，4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)為浙江富春江水電設(shè)備有限公司生產(chǎn)。水輪發(fā)電機(jī)組由不同的供貨

商提供，機(jī)組尺寸、重量、水輪發(fā)電機(jī)組特性及外部混凝土尺寸不同。由于采用“兩機(jī)一縫”的布置型式，運(yùn)行期同一機(jī)組段受兩臺(tái)機(jī)組共同作用，水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)對(duì)廠房結(jié)構(gòu)影響機(jī)理復(fù)雜。尤其是由3號(hào)、4號(hào)機(jī)組成的中間機(jī)組段，兩臺(tái)機(jī)組由不同廠家制造，機(jī)組特性及結(jié)構(gòu)形式存在一定差異，水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的影響更為復(fù)雜。因此，本文針對(duì)藏木水電站廠房中間機(jī)組段研究了水力脈動(dòng)下廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

2 基本資料

2.1 材 料

主要材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1[1]。

表1 材料參數(shù)

2.2 水力脈動(dòng)荷載

蝸殼內(nèi)水力脈動(dòng)荷載頻率取為轉(zhuǎn)輪葉片引起的激振頻率29.55 Hz，脈動(dòng)荷載幅值取為最大運(yùn)行水頭的10%。尾水管內(nèi)脈動(dòng)荷載頻率為1.2 Hz，3號(hào)

機(jī)組和4號(hào)機(jī)組尾水管內(nèi)脈動(dòng)荷載幅值分別取為最大運(yùn)行水頭的10%和8%。

3 數(shù)值模型和計(jì)算方案

采用ANSYS程序開(kāi)展諧響應(yīng)分析，研究水力脈動(dòng)下廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)[2]。

3.1 數(shù)值模型

由于藏木水電站廠房采用“兩機(jī)一縫”的布置型式，計(jì)算以3號(hào)、4號(hào)機(jī)組成的中間段為對(duì)象。沿廠房縱軸線方向的長(zhǎng)度為41.89 m，上游取至主副廠房分縫處，下游取至尾水管出口，寬度為45.5 m。高度上從尾水管底板開(kāi)挖高程3 217.65 m至排架柱頂部高程3 266.80 m，總高度為49.15 m。模型包含了一定范圍的基礎(chǔ)，在高程3 217.65 m以下取了50 m范圍的巖石，并向上游延伸50 m，向下游延伸51.1 m。

在數(shù)值模型中，鋼蝸殼、座環(huán)、機(jī)井里襯、尾水管里襯采用殼單元，墊層、混凝土和巖石采用實(shí)體單元。由于在3號(hào)機(jī)組段與2號(hào)機(jī)組段之間、4號(hào)機(jī)組段與5號(hào)機(jī)組段之間設(shè)有永久分縫，因此模型兩側(cè)混凝土邊界按自由面處理，模型底部施加全約束，其余基巖各邊界施加法向約束。整體模型和混凝土結(jié)構(gòu)模型分別見(jiàn)圖1、2。

圖1 整體模型網(wǎng)格 圖2 混凝土結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格

3.2 計(jì)算方案

藏木廠房中間機(jī)組段由3號(hào)、4號(hào)機(jī)組組成，并且安裝不同的水輪發(fā)電機(jī)組，因此，流道內(nèi)水力脈動(dòng)對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理復(fù)雜。為研究水力脈動(dòng)下藏木廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，擬定計(jì)算方案見(jiàn)表2。由于3號(hào)機(jī)組尾水管內(nèi)脈動(dòng)荷載幅值高于4號(hào)機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)假設(shè)3號(hào)機(jī)組運(yùn)行，同時(shí)運(yùn)行時(shí)假設(shè)3號(hào)和4號(hào)機(jī)組流道內(nèi)脈動(dòng)荷載同相位或存在一定相位差[3]。

4 脈動(dòng)壓力下廠房振動(dòng)響應(yīng)分析

4.1 流道金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)

流道金屬結(jié)構(gòu)包括鋼蝸殼、座環(huán)及尾水管鋼襯，直接承受脈動(dòng)壓力，流道金屬結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)如下：

(1)盡管流道金屬結(jié)構(gòu)直接承受脈動(dòng)壓力，由于金屬結(jié)構(gòu)外包混凝土尺寸較大，總體上振動(dòng)響應(yīng)不大。在蝸殼鋪設(shè)墊層的部位，振動(dòng)響應(yīng)較大，最大振幅0.115 mm。當(dāng)3號(hào)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，其流道內(nèi)的脈動(dòng)壓力幾乎不會(huì)引起4號(hào)機(jī)組流道金屬結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。方案1和方案2脈動(dòng)荷載頻率相差較大，但流道金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值相差不大，說(shuō)明脈動(dòng)頻率均遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)自振頻率，此時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值主要取決于脈動(dòng)壓力幅值。

表2 計(jì)算方案

(2)隨著兩臺(tái)機(jī)組流道內(nèi)脈動(dòng)壓力之間相位差從0°增大到270°，蝸殼各方向振幅先減小后增大，見(jiàn)圖3、4。蝸殼各方向最大振幅出現(xiàn)在同相位方案，即方案3。并且座環(huán)、尾水管鋼襯也表現(xiàn)出相同振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。

(3)方案3，兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，且流道內(nèi)脈動(dòng)壓力同相位。3號(hào)機(jī)組最大振幅0.104 mm，為蝸殼墊層末端附近的順河向振動(dòng)，4號(hào)機(jī)組最大振幅0.096 mm，為蝸殼直管段的豎向振動(dòng)。總體上振動(dòng)響應(yīng)較小。

圖3 方案3～6 3號(hào)機(jī)組蝸殼最大振幅 圖4 方案3～6 4號(hào)機(jī)組蝸殼最大振幅

(4)方案7～10與方案3～6相比，主要是流道內(nèi)脈動(dòng)壓力頻率不同，相應(yīng)各方案的振動(dòng)響應(yīng)差異較小。

(5)流道金屬結(jié)構(gòu)最大均方根速度為13.65 mm/s，對(duì)應(yīng)方案3蝸殼順河向振幅0.104 mm。

(6)流道金屬結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力較小。其中蝸殼應(yīng)力相對(duì)較大，最大值為9.14 MPa，出現(xiàn)在方案3中4號(hào)機(jī)組蝸殼。

4.2 廠房混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)

機(jī)墩作為水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)備基礎(chǔ)，為廠房中主要承受機(jī)組荷載的結(jié)構(gòu)體系，上部板梁柱系統(tǒng)及排架與下部大體積混凝土結(jié)構(gòu)相比，剛度較弱，為振動(dòng)薄弱部位。因此，重點(diǎn)分析機(jī)墩、板梁柱與排架系

統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)。

4.2.1 機(jī)墩

(1)3號(hào)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)(方案1)，其定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)振幅不大，最大值0.037 mm，為定子基礎(chǔ)豎向振動(dòng)。流道內(nèi)脈動(dòng)壓力通過(guò)廠房下部大體積混凝土發(fā)生傳遞，因此4號(hào)機(jī)組機(jī)墩出現(xiàn)一定程度振動(dòng)。方案2與方案1相比，機(jī)墩豎向振幅明顯減小，說(shuō)明蝸殼內(nèi)水力脈動(dòng)更容易引起機(jī)墩較大幅度的振動(dòng)。各方案機(jī)墩動(dòng)位移見(jiàn)表3。

(2)當(dāng)脈動(dòng)壓力頻率為29.55Hz時(shí)(方案3～6)，隨著兩臺(tái)機(jī)組流道內(nèi)脈動(dòng)壓力相位差增大，兩臺(tái)機(jī)定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)振幅均先減小后增大，見(jiàn)圖5～8。同相位時(shí)振幅最大，相位相差180°時(shí)振幅最小。3號(hào)機(jī)組機(jī)墩水平最大振幅為0.027 mm，豎向最大振幅為0.045 mm，4號(hào)機(jī)組機(jī)墩水平最大振幅為0.028 mm，豎向最大振幅為0.040 mm。

(3)當(dāng)流道內(nèi)脈動(dòng)壓力頻率為1.2 Hz時(shí)(方案7～10)，隨著兩臺(tái)機(jī)組相位差的增大機(jī)墩振幅基本呈先減小后增大的趨勢(shì)。方案7～10計(jì)算結(jié)果與方案3～6對(duì)比可知定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)各方向振幅均有所減小，說(shuō)明尾水管內(nèi)低頻振動(dòng)與機(jī)墩自振頻率相差較遠(yuǎn)，蝸殼內(nèi)水力脈動(dòng)更容易引起機(jī)墩較大幅度的振動(dòng)。

圖5 方案3～6 3號(hào)機(jī)組定子基礎(chǔ)最大振幅 圖6 方案3～6 3號(hào)機(jī)組下機(jī)架基礎(chǔ)最大振幅

圖7 方案3～6 4號(hào)機(jī)組定子基礎(chǔ)最大振幅 圖8 方案3～6 4號(hào)機(jī)組下機(jī)架基礎(chǔ)最大振幅

表3 各方案機(jī)墩最大動(dòng)位移 mm

(4)機(jī)墩最大振動(dòng)速度為5.906 mm/s。機(jī)墩最大振動(dòng)加速度為0.775 m/s2。

4.2.2 板梁柱及上部排架系統(tǒng)

(1)由于下部大體積混凝土結(jié)構(gòu)剛度較大，振動(dòng)影響較小，并且其振幅對(duì)單機(jī)運(yùn)行和兩機(jī)同時(shí)運(yùn)行不太敏感。對(duì)于板梁柱及上部排架，兩臺(tái)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，其振幅增加較大。各方案發(fā)電機(jī)層樓板和排架柱動(dòng)位移見(jiàn)表4。

(2)方案1與方案3相比，樓板振動(dòng)變化明顯，最大振幅由方案1的0.172 mm增大到方案3的0.285 mm，且最大振幅位置在兩臺(tái)機(jī)組中間吊物孔附近。

(3)兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)流道內(nèi)脈動(dòng)壓力頻率為29.55 Hz時(shí)結(jié)構(gòu)振幅較大，同一脈動(dòng)頻率下，隨著兩臺(tái)機(jī)脈動(dòng)荷載相位差的增大，振幅呈先減小后增大趨勢(shì)，最大振幅基本都出現(xiàn)在同相位方案。

(4)3號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)層樓板在吊物孔周圍設(shè)置加勁梁。此時(shí)發(fā)電機(jī)層樓板振幅分布規(guī)律與方案3基本一致，仍然為吊物孔附近樓板振幅較大，但最大值從0.285 mm減小到0.186 mm，說(shuō)明吊物加勁梁的設(shè)置可以明顯提高該區(qū)域的豎向剛度。發(fā)電機(jī)層樓板在吊物孔周圍設(shè)置加勁梁后豎向振幅見(jiàn)圖9。

表4 各方案典型部位最大動(dòng)位移 mm

4.2.3 廠房混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)應(yīng)力

兩臺(tái)機(jī)組流道內(nèi)脈動(dòng)荷載同相位時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大，相應(yīng)動(dòng)應(yīng)力也達(dá)到最大，據(jù)此重點(diǎn)分析方案3廠房混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力，兩臺(tái)機(jī)組動(dòng)應(yīng)力見(jiàn)圖10、11。

圖9 3號(hào)機(jī)組吊物孔設(shè)加勁梁后樓板的豎向振幅/mm

圖10 3號(hào)機(jī)組動(dòng)應(yīng)力(MPa) 圖11 4號(hào)機(jī)組動(dòng)應(yīng)力(MPa)

(1)3號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)層樓板吊物孔附近出現(xiàn)較大應(yīng)力，橫河向和順河向動(dòng)應(yīng)力最大值分別達(dá)0.699 MPa和0.863 MPa，吊物孔附近第一主應(yīng)力也較大，并且該部位振幅較大。在吊物孔周圍設(shè)置加勁梁后，動(dòng)應(yīng)力較大區(qū)域主要出現(xiàn)在梁、樓板和柱子之間的連接部位，數(shù)值在0.3 MPa左右，較原方案明顯減小，樓板絕大部分區(qū)域的動(dòng)應(yīng)力小于0.1 MPa。

(2)對(duì)于3號(hào)機(jī)組，上部排架及下部大體積混凝土橫河向及順河向應(yīng)力水平較低，基本沒(méi)有超過(guò)0.2 MPa。下游立柱及上部排架豎向動(dòng)應(yīng)力達(dá)0.3 MPa左右，蝸殼腰部截面以下45°范圍以及蝸殼過(guò)渡板附近混凝土出現(xiàn)了0.2 MPa左右的動(dòng)應(yīng)力，尾水管中墩及邊墻豎向動(dòng)應(yīng)力接近0.3 MPa，其余區(qū)域動(dòng)應(yīng)力水平相對(duì)較低。

(3)4號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)層樓板吊物孔附近動(dòng)應(yīng)力較小，其余部位應(yīng)力水平與3號(hào)機(jī)組相當(dāng)，均小于混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)流道金屬結(jié)構(gòu)直接承受脈動(dòng)壓力，由于金屬結(jié)構(gòu)外包混凝土尺寸較大，其振動(dòng)響應(yīng)不大，應(yīng)力水平均較低，遠(yuǎn)小于鋼材的許用應(yīng)力。

(2)同一脈動(dòng)頻率下，隨著兩臺(tái)機(jī)脈動(dòng)荷載相位差的增大，廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)基本呈先減小后增大趨勢(shì)，一般同相位時(shí)振動(dòng)響應(yīng)最大；同相位時(shí)，水力脈動(dòng)荷載頻率為29.55 Hz時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)較大。

(3)由于下部大體積混凝土結(jié)構(gòu)剛度較大，振動(dòng)影響較小，并且其振幅對(duì)單機(jī)運(yùn)行和兩機(jī)同時(shí)運(yùn)行不太敏感。對(duì)于板梁柱及上部排架，兩臺(tái)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，其振幅增加較大。

(4)各方案機(jī)墩振幅均較小，3號(hào)機(jī)組機(jī)墩水平最大振幅為0.027 mm，豎向最大振幅為0.045 mm，4號(hào)機(jī)組機(jī)墩水平最大振幅為0.028 mm，豎向最大

振幅為0.040 mm。

(5)發(fā)電機(jī)層樓板豎向最大振幅0.285 mm，橫河向和順河向動(dòng)應(yīng)力最大值分別達(dá)0.699 MPa和0.863 MPa，發(fā)生在3號(hào)機(jī)組吊物孔周圍。該部位振動(dòng)響應(yīng)較大。在吊物孔周圍設(shè)置加勁梁后，振幅減小到0.186 mm，動(dòng)應(yīng)力減小到0.3 MPa左右。

(6)各方案廠房混凝土應(yīng)力水平整體較低，小于混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。

(7)在3號(hào)機(jī)組吊物孔周圍設(shè)置加勁梁后，藏木水電站廠房振動(dòng)響應(yīng)不大，廠房整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

[1] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.NB/T35011-2013 水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[2] 葉先磊,史亞杰.ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3] 伍鶴皋，傅 丹,等.藏木水電站廠房整體靜動(dòng)力分析 [R]. 武漢大學(xué)，2013.

2016-08-23

侯攀(1979-)，男，河南林州人，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事地下工程設(shè)計(jì)工作。

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1003-9805(2017)01-0013-05