厂房振动（精选四篇）
厂房振动 篇1
1 选煤厂厂房振动原因
1.1 生产设备工作时的振动
选煤厂采用的设备在正常工作时都会产生振动, 而且这些设备的工作方式不同, 且在每个楼层里都无规律的放置着, 这些振动设备的工作特性差别也非常大。比如:振动筛是上下往复振动, 压滤机是水平往复振动。这些设备都是单一性振动设备, 在进行结构振动计算时容易分析和模拟。有些设备的振动分析和计算比较复杂, 比如:卧式振动离心机既有前后往复运动又有横轴旋转运动, 而斜轮分选机的振动则是绕斜轴转动。对于跳汰机设备的振动, 其扰力可能是跳汰机设备本身产生, 也可能是有跳汰机内部的物料运动所产生的, 具有很强的随机性。
1.2 共振原因分析
通过多年的振动实测资料以及设计经验的分析研究, 厂房的结构振动与厂房内设备的工作频率有着很大联系。控制选煤厂厂房结构振动的频率和振幅有两个因素, 即对结构施加的激振力 (也称为扰力源) 和结构自身的动力特性。当扰力源的频率与厂房结构自身的固有频率接近或吻合时, 会产生共振现象, 使厂房的振动幅度不断增加, 并出现高噪声、高动应力等严重影响工作环境和厂房结构强度的问题。
2 厂房结构形式和布置
2.1 结构形式
选煤厂厂房应当选用钢结构或者钢筋混凝土框架结构。厂房的框架结构整体应当具有刚度大、传力明确以及对水平和垂直振动荷载都有较高的承受能力的特点。现目前, 框架的设计和施工方法都比较成熟, 能够有效地保证厂房结构安全。选煤厂厂房内一般都有吊车运行, 故厂房的屋盖形式一般采用轻钢结构, 轻钢结构的设计和施工方面不仅比较成熟, 而且其普及程度也比较高。采用轻钢结构和框架结构相结合的形式, 比其他结构要合理一些, 能够更好地保证厂房的稳定性及安全性。
2.2 结构布置
选煤厂厂房内的设备不仅比较多, 而且荷载都比较大, 尤其是在大型设备运行时产生的振动荷载比较明显, 因此在厂房的结构布置上, 应当均匀合理分布各种荷载。在厂房的结构布置方面应当遵循以下原则: (1) 为了保证振动设备的基础和振动设备的承重构件之间的可靠连接应当设置专门的受力构件, 确保荷载能够准确地传递到柱、框架梁等厂房主要受力结构上。 (2) 在安装厂房生产设备时, 对后砌外墙处的框架梁应当对该处安装设备最大重量进行验算, 此验算不包括墙体的自重。在进行楼板梁布置时应当充分考虑吊梁的安装, 避免由于吊梁的位置不合适而导致吊梁无法安装以及无法更换检修设备的现象。
3 选煤厂厂房共振的防治措施
3.1 加强结构的自身动力特性
(1) 在设备结构动力特性方面。应当减小楼层结构的振动, 达到减小共同振幅的目的, 在减少结构振动中最有效的方法便是保证直接承受动力设备构件的刚度。合理确定间接承受动力荷载各杆件与直接承受动力荷载杆件之间的刚度比值, 这对降低厂房楼层振动有着重要作用。此外, 对于非振动设备的楼层结构布置的重视也应当加强, 可以采取加大非振动设备安装楼层的楼板刚度, 尽量减小楼板的振动响应, 如增加梁的宽度或者截面高度, 减少楼板的跨度等措施。 (2) 加强楼层结构的动力特性。对布置有振动设备的厂房, 如果厂房只布置了中频和高频生产设备, 一般只需考虑厂房在垂直振动方面的影响;如果厂房布置有低频水平振动设备还应当考虑到厂房水平振动方面的影响。
3.2 合理布置扰力源
选煤厂多层厂房的振动主要是由于生产设备的振动引起的, 厂房的振动受到厂房内设备的布置位置、设备动力特性以及土建结构动力特性的影响。在生产设备布置时, 重量较重的设备或者振动较大的设备应当布置在厂房的地面, 如果这些设备必须布置在楼板上时, 应当保证振动设备产生的不平衡干扰力作用在厂房的主梁上, 且设备位置的布置应当靠近中间支柱或外墙。对于垂直扰力比较大的生产设备, 应当将其布置在梁的支座周围, 并保证设备产生的扰力和梁的轴向方向一致。另外在布置跳汰机的时候, 应当尽量避免跳汰机的物料振荡方向朝向选煤厂厂房刚度较小的方向, 防止低频共振。设备动力特性在布置时应当遵循布置合理、荷载传递直接及结构受力明确的原则。比如:动力设备需要布置在梁上时应当防止动力设备布置在悬臂梁上;为了方便计算分析, 振动梁应当布置成单跨梁;振动梁不应跨轴线布置。
4 结束语
为了有效地降低选煤厂多层厂房的结构振动, 可以采取加强结构的自身动力特性和合理布置扰力源两种方式, 尽量降低生产设备振动对设备正常运行、厂房的振动以及员工的工作情绪的影响, 保证工作设备正常运行和员工的工作效率, 为选煤厂带来更大的经济效益。
摘要：目前我国选煤厂的厂房结构大多数都采用钢筋混凝土框架结构。选煤厂厂房中都放置着振动筛、电动机、脱水机以及破碎机等相关动力设备。当这些动力设备正常工作时, 由于设备的往复运动选煤厂厂房结构振动无可避免。本文对选煤厂多层厂房振动原因和厂房结构形式与布置进行了分析, 并提出一些选煤厂厂房结构振动的防治措施。
关键词：选煤厂厂房,结构振动,措施
参考文献
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厂房振动 篇2
水电站厂房结构通常分为上下两个结构, 是以发电机层的楼板为分界线, 分为上部机构和下部结构。在下部结构中的机墩组合结构内, 其一般都设置有水轮发电机, 也有一些另外的附属设备布置;这样的结构设置中, 由于在这个结构中的截面尺寸较大, 而且有一些形状不规则、孔洞开口大的情况存在, 因此在发电机机组运作中, 要承受很多的作用力, 比如机组要承受一些静荷载, 也要承受设备动力、水流脉动等动荷载, 各种动静荷载作用力的结合, 会使得机组在运转中产生振动, 一旦振动超出了合理的范畴, 那么其不仅会对机组的运转造成影响, 也会对水轮发电机组的维修周期和使用寿命缩短, 甚至会出现整个水系统振动的情况。此外, 对于水电站厂房机组支承结构的设计, 在我国还存有经验不足的现象, 也缺乏相关的规范和制度, 因此机组振动的现象在我国的很多水电站都有;由于机组振动有不同的程度区分, 而严重的振动现象不但对机组设备的影响很大, 也对厂房的整个工作环境有很大影响, 造成巨大的噪音污染, 也是对工作环境的恶劣影响。
2 国内外水电站厂房机组支承结构振动分析
由于水电站厂房机组支承结构振动的情况发生较多, 因此人们对这种现象的研究不断深入, 人们对于其结构的动静荷载作用力的认识也有了大幅度的提高。对于这种现象的分析, 人们利用了现场测试、模型式样和有限元计算来对水电站厂房机组支承结构振动做出了具体分析, 特别是有限元计算, 得到了更多的认可和运用。对于有限元计算, 在目前的《水电站厂房设计规范》 (SL266-2001) 中有部分论述, 在此规范中充分论述了基于单自由度振动体系推导出的自振频率及振幅计算公式的运用, 而且也对厂房机墩机构的设计规范做出了要求, 对于其能承受的动静荷载也有明确的要求。因此, 在我国的很多中、小型水电站厂房的设计上, 都参照这种规范来进行设计, 但是在大型水电站上的规范力度还有所不够, 故而在一些高水头、大容量的水电站厂房中, 其结构设计还有待加强。
由于大型的机组振动减小的控制较难, 故而控制的规范也不够全面, 这种现象不仅是我国大型水电站所遇到的难题, 同样也是世界性的难题。特别是大型混流式机组, 这样的机组有固定叶片的混流式水轮机, 而且水头变化的频率较高, 流量变化中有不确定因素, 所以机组在运作的过程中, 可能会有偏离设计的现象发生, 如大型混流式机组的导叶和转轮叶片进口边会出现脱流的状况, 也可能出现撞击的情况, 甚至出现空化和卡门涡、叶道涡的情况, 因水流绝对速度的圆周分量存在, 其可能引发低频压力脉动, 也可能引发涡流的形成, 从而使机组发生振动, 对设备的运作产生影响, 对环境造成破坏。
出现水电站厂房机组支承结构振动的情况, 我们可以从数值模拟计算这一层面切入来分析, 运用这种计算分析可以从三个方面切入, 一是科学地选取数值模型, 这种计算方法要联合厂房和厂房周围岩土结构来共同计算分析, 不仅要有厂房周围岩土全面、详细的勘测数据, 也要对厂房自身的受力情况进行计算分析, 同时要重点考虑机组型号、种类的特点, 把机组振动的数据全面计算入内, 并且要对厂房结构边界的选取对厂房自振特性和动相应计算结果的影响要有深入研究和计算;再者对于厂房结构材料参数要计算入内, 由于其参数的选取没有具体、明确的规定, 因此建议有关部门设定科学、明确的规定统一参数的选取指标。二是, 在数值模拟的动态计算中, 对于高频水力振源的数据要有明确计算, 并且要运用其对厂房结构的影响做具体计算分析, 对于水力脉动对厂房结构的影响也要做正确的估算, 从而使机组振动控制在最小的范围。三是水力脉动荷载的计算中, 要运用其对机组的作用力传递要进行分析, 综合所有的计算分析, 制定出科学合理的控制方案, 可以使机组的振动被有效控制。
3 水电站厂房机组支承结构优化
为了避免机组振动过大的现象, 水电站厂房机组支承结构的优化可以从两个方面入手, 分别是改变结构自振和加强结构刚度。要改变结构的自振, 那么应该从自振频率上考虑。要加强结构的刚度, 那么就应该提高结构的减振能力, 加强结构的刚度。其具体分析如以下几点
3.1 利用围岩刚度
运用围岩刚度对减小机组振动, 主要是运用岩体自身的刚度来弥散振动力, 因此就要加强混凝土和围岩之间的连合, 把机组产生的振动力引向围岩, 运用围岩本体抵散机组运转的振动力。而作为单台机组, 并不能有效利用围岩刚度来抵散振动力, 只有楼板上下游边界才有条件利用围岩刚度, 因此应该在厂房结构的设计中做考虑, 可以在与围岩接触的建筑体中增设锚筋, 也可以对围岩的局部进行槽挖, 槽挖之后填入混凝土, 实现建筑体构件与围岩的有效连接。
3.2 机段组的分缝
就机段组的分缝问题而言, 在目前已有分缝形式主要包括两机一缝、一机一缝的形式, 对于一机一缝来说, 其结构型式的布置合理, 而且受力的设置明确, 在水电站整体运行中, 可以对运行中复杂的工况下减小机组的振动。对于两机一缝而言, 这种设置多运用在普通的梁板结构中, 由于在这种情况下不能有效增强相邻机墩组合结构间的刚度, 那么对于机段组的划分, 应该尽量让每个机段组保持独立的布置, 由于两机一缝的方式便于施工, 故而也被广泛运用。对于水电站主厂房的结构建设, 那么应多使用厚板的建筑材料, 厚板和边墙都要有均匀的浇筑, 要使两者之间形成稳固、有效地连接。
此外, 要优化水电站厂房机组支承结构, 那么应优化楼板的结构, 要利用厚板和优化梁板结构的形式来建设, 对于梁板的支承构件要对其进行刚度的增强, 特别是梁、柱等构件的刚度, 要运用一些减振、有刚度的材料来建设。再者对于厚板的厚度问题, 要结合实际的运算和分析来对厚度做出合理要求, 既要减小其支承结构的尺寸, 也要满足减振的刚度要求。
3.3 控制振动路径
水电站厂房机组支承结构振动的原因与振动传递的路径密不可分, 因此, 在振动的路径上, 要对其进行有效地控制。对于这些路径的存在, 其主要是机组振动通过风罩传递到发电机层楼上, 另一部分的振动, 则来源于蜗壳的压力脉动, 也有尾水管的压力脉动, 这些作用力可以传递到整个厂房中, 既可以作用到厂房外围的混凝土上, 也可以通过顶盖、导轴承机架等传递到结构上形成振动影响。因此要对这些振动的途径进行控制, 那么应切断或延长机组振动的传递路径, 对于风罩的布置, 应与厂房放电机层楼板整体有效连接, 减少振动的影响。
参考文献
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厂房振动 篇3
我国水力资源居世界第一,但是目前水电开发程度较低。根据国家“十五”计划和2015年远景规划,水电开发的目标为:到2015年水电装机达到15万MW,占电力总装机28%,水能资源开发程度将达到40%。到2015年,中国将成为世界水电站装机容量第一强国[1]。随着现代水轮发电机的容量和尺寸日趋增大,在水电站厂房某些工作区域内普遍出现振动过大的现象,并不同程度地引起厂房乃至大坝的强烈振动,甚至威胁水电站的经济运行和安全运行。
1 水电站厂房的振动
1.1 水电站厂房
按照集中落差的方式,常规水电站的基本形式分为坝式水电站、引水式水电站和混合式水电站。由于水电站的开发方式、枢纽布置方案、装机容量、机组形式等条件的不同,厂房的形式也是多种多样的,通常按厂房的结构及布置上的特点,可分为地面式(包括河床式、坝后式、岸边式)、地下式、坝内式、厂顶溢流式及厂前挑流式等。各种厂房水下部分的结构大同小异,主要差别在水上部分结构和维护结构。对于大型机组,常见的是坝后式厂房、岸边式厂房和地下厂房。
对于安装立轴机组的主厂房,发电机层和水轮机层是主厂房中不可缺少的两个楼层。按照一般习惯,发电机层以上称为厂房上部结构,发电机层以下称为厂房下部结构,水轮机层以下称为厂房下部块体结构。上部结构包括屋面体系、吊车梁、厂房构架,基本上与一般工业厂房相似。下部结构包括发电机层的机墩、蜗壳、尾水管、上下游边墙等,其特点是结构的截面尺寸、形状不规则,均为现浇的钢筋混凝土结构。位于上、下部结构之间的发电机层楼板系统,目前对其划分归属尚不统一,考虑发电机层楼板更符合下部结构构件的特点,以及叙述上的方便,本文将其归为下部结构。
1.2 大型混流机组厂房的振动问题
如同其他动力机器一样,水轮发电机组在运行过程中不可避免要产生振动,也允许有轻微的振动,但如果振动超出一定范围,就直接影响到机组的安全稳定运行,缩短检修周期和使用寿命,严重时还会引起引水道和整个厂房的振动,以至被迫停机[2]。引起机组振动主要有水力、机械和电气等三方面的原因,其中水力振动现象在混流式水轮机中表现较为明显,这是由混流式水轮机过流部件单一,对偏离最优工况的水头和流量的变化适应范围相对较窄的固有特点所决定的。
我国20世纪五六十年代投入运行的一些机组,因提前发电、系统负荷少等因素,出现过长期低负荷运行,致使水轮机运行稳定性较差,由于机组小,问题尚不突出,近30年来随着系统的扩大和缺电,单机容量、机组尺寸不断增大,机组及厂房结构的刚度相对降低,水轮机在高水头运行区普遍出现了水力不稳定现象,并不同程度地引起厂房甚至是大坝的强烈振动。我国的刘家峡、岩滩、东江、丹江口、牛路岭等电站的水工建筑物共振问题较为突出,其中又以岩滩机组在高负荷时厂房结构的剧烈振动最为罕见。
1.2.1 岩滩厂房的振动问题
广西岩滩1号机组1992年投运时,由于溢流坝闸门不具备挡水条件,初期运行水头在50 m左右,站在运行中的1号机发电机盖板上感觉不到机组运行,尾水管进人门处噪音较小。2号机投入运行时,水库蓄水至设计正常蓄水位,随着电厂运行水位提高,机组运行在小负荷(100 MW左右)时机组尾水管出现强烈的低频压力脉动。机组在运行过程中存在较大范围的强水压脉动,转轮叶片屡屡出现裂纹,当运行水头大于60 m,导叶开度70%左右时,机组接近最高出力时,机组和厂房均出现强烈振动,人员在发电机层楼板上难以站稳,并曾导致机旁盘误动作[3,4]。特别是在174 m高程发电机层及副厂房,振动更为强烈。振动产生时,174 m层的中控室内有明显的感觉,且沉闷的共鸣声干扰了运行人员的正常工作,影响了监盘人员的注意力。由于振动现象在一定区域内存在,因此为了避开振动区域,机组在高水头段被迫降负荷运行,使电厂不仅损失电量,而且调峰能力也大大减弱[5],至今该问题依然存在。
1.2.2 五强溪水电站厂房楼板的振动
湖南五强溪水电站混流式水轮机的转轮直径8.3 m,是目前国内最大的混流式转轮,单机容量240 MW。该电站5台机组都存在振动范围大、幅值大的问题[6]。1、2、4号机都曾因机组振动过大而发生机械过速保护装置误动导致紧急停机事件。1、5号机曾因水导摆度过大造成齿盘测速探头损坏。剧烈的振动危及机组的安全稳定运行,振动产生的噪音也给运行人员的工作环境造成不利影响。强振发生在低负荷工况,此时尾水管内存在大量的0.125~0.625 Hz的低频振动分量,其中个别振动频率与厂房建筑物的自然频率非常接近,导致厂房产生共振。
我国已投产的另外一些大型机组电站如二滩、小浪底、隔河岩、天生桥一级等,自运行以来均不同程度地出现影响安全正常运行的振动区域[7]。国外几座巨型混流式机组也同样存在类似问题,如美国的大古力Ⅲ(转轮直径9.9 m、单机容量700 MW)、委内瑞拉的古里Ⅱ(7.2 m、610/730 MW)、巴西与巴拉圭合建的伊泰普(8.6 m、715/740 MW)、巴基斯坦塔贝拉水电站(7.9 m、440 MW)等[8,9]。
2 厂房振动研究现状
2.1 国内外研究现状
由于水电站厂房结构复杂,其结构形式、构造受枢纽布置等因素影响。所以,迄今有关水电站厂房抗振研究的文献、著作很少,尤其在动力分析方面研究进展更缓慢,仅大连理工大学对水电站厂房的动力分析研究的稍多一点,其他水利学院及科研机构对此仅做了少量的研究工作,发表论文亦不多。论文间也存在一些分歧,如水轮机压力脉动区的水力振动问题,其发生机理和振动特性,包括其相位和分布特征,以及对厂房结构振动的作用和传递规律等。国外对水电站厂房的振动问题上已做了较多工作,但也集中在对厂房上部结构的动力分析上的研究,对水电站的下部结构动力分析的特性研究也很少[10]。
2.1.1 国内研究的现状
1987年李彦硕研究了刘家峡水电站楼板采用整体模型实验(能考虑上、下楼板与支承结构一定的耦合作用)和局部楼板结构(不考虑支承结构的耦合作用)有限元电算相结合的方法[11]。1995年戴湘和对长江三峡水电站厂房及水下结构进行了结构动力计算分析研究,得出了结构动态特性及动力响应与位移[12]。1996年天津大学李大成、熊有志采用SPA5程序,提出了三维动力有限元法和混合型动态子结构法,对三峡水电站厂房水下结构进行了三维的整体动力分析[13]。2002年广州市房屋鉴定事务所沈可对岩滩水电站厂房的两种动力模型坐了模拟分析比较,计算采用ANSYS软件,模型建立及单元划分在其前处理程序完成,避免了在单元节点的自由度协调上花费大量精力;同时为考核单元网格划分是否合格,进行了网格进一步细化后计算结果的比较检查[14]。2002年赖维刚应用了PKPM系列软件对水电站厂房上部结构空间进行了分析和计算,并应用SATWE程序进行复核,认为应用该软件缩短了计算和设计周期[15]。2003年大连理工大学马震岳在三峡水电站水轮机模型试验中,发现存在一个特殊压力脉动区,压力脉动幅值超过标书的规定,可能会对厂房振动产生不利影响,为此进行了主厂房整体的振动分析数值模拟,研究了主厂房的固有振动特性并进行共振复核;并研究了机墩结构在各种动力荷载作用下的振幅和应力,利用动力法计算厂房在水力激励作用下的振动反应,根据国内外有关振动规程,对振动加以评价,为厂房动力设计和运行控制提供了科学依据[16]。
2.1.2 国外研究现状
早在1994年(美)K.J.Bathe对大古力水电站厂房振动特性进行了研究,并在研究的基础上建立了较精确的水电站厂房楼板结构模态分析和在机组水力激振作用下动力响应分析的有限元计算模型。利用该模型对水电站厂房振动进行了数值分析,其计算成果与实例数据非常吻合,并对厂房振动进行了分析预测[17]。2002年(美)R.W.Clough J.Penzien对古里水电站厂房进行建立了一种混流机组水力振动下水电站厂房的有限元动力计算模型,进行了发电机层楼板结构的模态分析和简谐动力响应分析。厂房结构计算结果与实例数据非常吻合,在此基础上对水电站厂房楼板的振动进行了分析预测[18,19]。2002年Bathe.K.J.利用反应谱理论对水电站厂房结构进行了抗震计算分析比较,得出了其自振特性及地震位移、动应力响应。对楼板的抗应力强度进行了安全性评价[20]。2002年Ohashi H.研究了机组震动对厂房的作用机理和效应,评价振动强度及其影响,进而研究消振减振措施或改进结构设计途径[21]。因此,试图通过理论和数值方法,分析和预测机组诱发的厂房振动,为设计和运行提供了理论依据。
2.2 厂房结构振动研究概况
水电站厂房运行中的振动问题主要有两类:第一是厂房结构及水轮机发电机支承结构与机组强迫振动发生共振;第二是厂顶溢流厂房水流脉动压力诱发厂房结构的随机振动。
对于直接承受机组动荷载的支承结构——机墩的动力分析,由于构件单一、受力明确,《水电站厂房设计规范》(SL266-2001)给出了基于单自由度振动体系推导出的自振频率及振幅计算公式,国内多数电站都是按这套方法设计的,运行中也未发生共振和其他问题[22]。对大型机组和重要工程用有限元法进行分析亦无多大困难,国内在这方面开展研究较多的是大连理工大学董毓新、马震岳等[23,24,25]。
对于溢流厂房的振动问题,已建成的厂坝溢流式厂房,如新安江、池潭、修文水电站,以及厂前挑流式厂房,如乌江渡、漫湾等水电站的原型观测表明,动水压力诱发厂房振动是微弱的,对厂房结构的运行与安全不会产生很大影响[26,27]。已编制二维及三维有限元紊流诱发振动动力分析程序,并应用于实际工程计算。
而对于大型机组振动引发的水电站厂房结构共振问题,目前研究尚不深入,一般采用共振校核法进行厂房抗振设计,其方法粗糙,校核标准难以掌握[28]。当前日益突出的大型混流机组厂房的水力共振,不仅可以造成厂房结构在长期动荷载作用下的疲劳失效,更重要的是超出了厂房结构的正常使用要求。如水电站厂房的楼板上往往布置机组的监控操作设备,同时也是人员工作区,从机器基础和劳动卫生安全两方面都对楼板的振幅和振动速度提出了具体限值。要进行减振控制,首先就必须对厂房结构振动做定量分析。由于水电站厂房振动系统中的振动体(即厂房结构)和振源(即机组)都非常复杂,该如何来描述厂房结构的自振特性及机组水力振动的振源特性、又怎样计算由后者所引发的厂房结构物的动力响应,这些问题迄今为止,尚缺乏成熟有效的分析手段。国内外也几乎未见到相关论文发表。
研究的水电站建筑物振动问题,主要针对以下几种典型结构:水电站厂房结构;发电机层、水轮机层楼板结构;坝上拦污栅空间钢架与平台组合结构;压力钢管结构等。这些结构无论从外形尺寸,还是从构件组成上来说,都是比较复杂的。国内外多年运行经验表明,在地震波和正常运行中的有关外荷载干扰力的作用下,或者在脉动、冲击和爆炸荷载的作用下,建筑物的结构会产生较大的动应力和强烈的振动,这对结构的安全和运行人员的身心健康,对建筑物的使用年限都会产生较大的影响。为此,在测定、分析和研究地震引起的地面运动以及运动中有关外荷载干扰力特性、大小的同时,必须研究各种水电站建筑物结构的自振特性,才能有效地、经济合理地解决它们的抗震和消振问题,为厂房动力设计和运行控制提供了科学依据。
2.3 厂房结构的自振特性
自振特性是水电站厂房结构振动研究的基本问题,现有的厂房振动研究都且仅都集中于此[29,30,31,32],通常的步骤是计算出厂房前几阶自振频率,再与机组的强振频率进行共振校核。这当中存在以下两方面的问题。
(1)自振特性分析时,往往只重视频率,而忽视振型,即某阶自振频率下振动的形状及发生的部位。因为厂房结构系统属多构件组合弹性结构体,各部分构件的频率相差很大,总体结构的某一阶频率其振型往往仅表现在单个构件的局部范围。分析表明,水电站厂房总体一阶自振频率及其他低阶自振频率均集中在厂房上部构架的水平及扭转振动,一般为几个赫兹。发生强烈共振的条件应该是动荷载频率与结构在动荷载作用方向上的自振频率一致,且动荷载直接作用在结构上。
(2)缺乏对发电机楼板及其以下结构的自振特性分析。以往的计算中一般将上部结构简化为梁杆体系,而将下部结构视为固结;有些虽考虑了整体模型,考虑了楼板的嵌固作用,甚至动水压力的影响,但下部结构的单元划分稀疏,计算结果也往往是只表达出了上部结构的动力特性,而无法体现下部结构的动力特性。由大型机组振动引发的厂房结构共振,强振部位主要集中在厂房下部结构,一般在发电机层楼板上振动最强,因此研究厂房结构振动,重点应放在厂房下部结构上。与上部梁杆体系用少数单元即可得到较好的计算结果不同。要得到下部实体和板块体系较准确的自振特性,必须进行精确的单元划分。另外在各构件单元自由度的协调方面,目前使用较多的罚单元法[31,32]或约束方程法[33],由于大量消耗计算资源,不适合在大型问题中的应用。
2.4 厂房结构的动力响应分析
采用共振校核法对于振源和振动体的频率分布都非常广泛的水电站厂房系统难以操作。理论和实践都表明,复杂振动系统的最大动力响应并非一定出现在结构的第一阶自振频率上,而可能是在某一较高阶频率上,这与系统的质量分布和连接方式有关,实现难以估计,必须采用动力响应分析方法具体计算结构在外部动荷载作用下的位移、应力和振动速度等响应结果,但是水电站厂房这方面的研究工作至今未有效展开。
在工业建筑方面,前苏联在20世纪50年代已经开始厂房承重结构动力分析研究,制定了相关规范[34]。国内在80年代开展了单层及多层厂房楼板振动专题研究[35,36],先后制定了冶金部部颁标准[37]和国家标准[38]。以上动力厂房的结构布置相对简单,动力机器直接安放在厂房楼盖上,其最大扰力一般不超过1 kN,这与水电站厂房垂直动荷载动辄达几万kN,振动通过机墩间接传递到厂房结构的情况有着很大的区别。
另外值得一提的是水电站厂房的抗震问题,如果将地震作用看成是一种特殊的动荷载,那么抗震问题也可以列入水电站厂房振动研究范畴。当主要考虑水平地震作用影响时,水电站厂房的地震作用与一般工业厂房极为类似,完全可以借鉴工业厂房的抗震研究成果[39,40]。
2.5 厂房结构振动振源的研究
水轮机组的振动是厂房结构振动的振源,目前对机组振动大量的研究和测试工作都主要由大电机和水力机械工作者们组织进行。随着科技和制造技术的进步,电磁和机械所引起的振动在很大程度上已经得到解决[41,42,43,44],但大型混流机组的水力振动还依然是困扰业界的一个世界难题。对于具有固定叶片的混流式水轮机,由于水头和流量的变化,不可避免地会偏离设计工况运行,在导叶和转轮叶片进口边将产生撞击、脱流、空化和卡门涡叶道涡;在叶片出口边因水流绝对速度的圆周分量将产生涡流和低频压力脉动。当前主要的研究手段是模型试验,流体数值分析也在不断展开[45,46,47,48],但着眼点都集中在解决机组本身的问题,而对于土建结构工作者所关心的,在现有大型机组普遍存在水力振动的情况下,如何描述机组水力激振力的特性并将表达为厂房振动的振源,这一跨学科的研究目前基本还处于空白。
3 结 语
(1)大型混流式水轮机的水力共振问题,不仅影响机组自身稳定,也引发厂房建筑物的强烈振动。这种共振往往超出厂房结构的正常使用极限状态和承载能力极限状态,威胁水电站的经济运行乃至安全运行,必须亟待解决。
(2)国内外尚无完善的水轮机水力振动预估方法,而对机组水力振动引起的厂房结构共振更未深入研究。
(3)在现有大型机组普遍存在水力振动的情况下,如何描述机组水力激振力的特性并将表达为厂房振动的振源的课题有待进一步研究。
摘要：随着水电工程建设的高速发展,现代水轮发电机的容量和尺寸日趋增大,比转速也相应提高,普遍出现在水电站厂房某些工作区域内振动过大的现象,并不同程度地引起厂房甚至是大坝的强烈振动。其中以岩滩、五强溪等水电站厂房振动最为显著。另外,又对厂房结构的自振特性、动力响应分析、振动振源的研究现状进行了总结。
厂房振动 篇4
1 尾水管脉动压力时程信号
图1为尾水管脉动压力传感器布置示意图,肘管段有a和b两个测点,锥管段有c和d两个测点,传感器采样频率为4 800Hz,时间持续10s。选择最接近额定出力的测量工况,该工况的详细说明见表1。采用FFT方法分析4个测点的脉动压力频谱特性,对比情况见表2。
注:DP和DM分别对应水轮机原型和模型转轮直径。
注:fn为原型或模型水轮机的转频,本文中原型转频为8.33 Hz,模型转频为25Hz。
图2(a)为尾水肘管下游侧测点a前0.5s的脉动压力时程曲线,图2(b)为测点a的FFT振幅谱,从振幅谱中可以看出,压力脉动幅值较小,均在0.1%以下,其主频f/fn=9。如若按照常规的处理办法,设计低通滤波器将高频部分滤掉,或者截断频率取为5fn或6fn,那么仍会忽略尾水管脉动压力中9fn频率的部分,与实际不符。本文分析了水轮机厂家提供的540m水头附近开度γ从6°~26°的11种测量工况,发现当导叶开度γ逐渐接近20°时(对应原型水轮机额定出力工况),9fn频率的脉动压力成分便越明显,并逐渐成为尾水管脉动压力的主频。由于本工程中转轮叶片数为9,则转轮叶片数频率或转轮叶片的叶栅频率9fn将是对厂房振动产生重要影响的频率[10,11],因此,有必要研究9fn附近频率的尾水管压力脉动对厂房振动的影响。
在Matlab中设计FFT滤波器,将图2(a)中的脉动压力信号进行滤波处理,分离出7fn~9fn频率范围的信号,以及剩余部分的信号,分别见图2(c)和图2(e),图2(d)和图2(f)为对应的FFT振幅谱。图2(c)中的脉动压力信号主频为低频,且幅值较小。图2(c)和图2(e)中的脉动压力信号叠加后几乎可以得到图2(a)中的原始脉动压力信号,这也是采用FFT法进行滤波的好处,即在时域和频域上均能达到较好的滤波效果[12]。
2 计算荷载和方案
图3为洪屏抽水蓄能电站地下厂房结构的三维有限元实体模型,其中图3(a)为厂房整体三维模型,图3(b)为沿机组中心线的横剖面图,有限元模型中厂房结构按实际尺寸模拟,机组段长度为22.5m,厂房宽度22.0m,厂房结构柱尺寸一般为1.0m×1.0m,发电机层楼板厚度为0.6m,中间层和水轮机层楼板厚度为0.5m,并对球阀吊物孔附近的楼板局部加厚0.2m,各层主梁尺寸一般为0.9m×1.6m或0.8m×1.5m,次梁尺寸一般为0.8m×1.3m或0.6m×1.2m。蜗壳外围混凝土和机墩风罩采用C30混凝土,其他结构采用C25混凝土。该电站所处地理位置地质条件较好,以Ⅱ类围岩为主。地下厂房的边界条件采用法向弹簧模拟蜗壳层以上高程的上下游围岩的约束作用,而蜗壳层以下部分混凝土与围岩之间作为刚性连接,厂房底部直接施加固定约束。
有关文献讨论了压力脉动原型与模型的转换关系[8,13,14,15],普遍认为原型压力脉动幅值与水头的比值与模型相同。对于压力脉动频率的转换关系,目前甚至没有总结出半经验公式[9],因此,在没有更准确的转换关系的情况下,本文使得原型和模型的f/fn保持一致。文献[13]提到的尾水管内压力脉动频率换算关系见公式(1)。
式中:f为频率;D为转轮直径;H为水头;下标P和M分别表示原型和模型。
代入表1中的数据可得fP/fM=1/3。由于模型转频是原型转频的3倍,因此本文保持原型和模型的f/fn一致,实际上与式(1)的换算关系效果相同。
图1中4个测点的FFT振幅谱规律几乎一致,但尾水锥管的两个测点的脉动压力幅值相对较大,文献[5]中也提到了类似规律。而文献[13]则认为尾水肘管的压力脉动幅值较大。综合考虑,本文采用尾水肘管下游侧测点a的脉动压力实测值换算后对尾水管进行加载,加载区域为图1中阴影部分。计算时厂房结构阻尼比参考相关文献取为0.02[13,15]。设计了表3所示的3种方案,除压力脉动荷载不同外,3种方案的其他计算条件均保持一致,对厂房结构在尾水管脉动压力作用下的瞬态动力响应进行分析。
3 厂房结构的动力响应
3.1 楼板结构的动力响应
考虑到发电机层楼板布置有各种电气设备,加之工作人员在发电机层楼板上开展工作等,发电机层楼板的振动最容易被感知到。楼板长度和宽度方向的尺寸与厚度方向相比要大得多,因此,楼板的竖直向动力响应一般较水平向要大。图4给出了3种计算方案下发电机层楼板竖直向振动速度均方根等值线;图5为发电机层楼板竖直向振动加速度均方根等值线。表4中给出了楼板第四象限特征点F1的振幅、振动速度和振动加速度的峰值和均方根值。
从图4和图5中可以看出,3种方案下振动速度和振动加速度的均方根分布一般是楼板边缘处较大,越靠近风罩的楼板振动响应越小,说明尾水管脉动压力首先引起刚度较小的立柱和边墙的振动,然后再通过立柱和边墙传递到楼板上。球阀吊物孔、楼梯孔和附属吊物孔附近的楼板振动响应相对于风罩附近有所增大,但增加幅度不大。
3种方案比较来看,方案三的竖直向振动速度均方根、振动加速度均方根要明显大于方案二的相应值,说明频率在7fn~9fn范围内的脉动压力对楼板竖直向振动的贡献程度更大。以特征点F1(见图4)为例,方案三的竖直向振动速度均方根为0.96mm/s,方案二为0.45mm/s;从能量角度看,发电机层楼板竖直向振动能量的80%以上来源于7fn~9fn范围内脉动压力的贡献。若尾水管脉动压力主频不是以低频为主,那么楼板竖直向振动能量的绝大部分将来自于尾水管内高频脉动压力的贡献。此外,越靠近尾水管的楼板区域(X>0,Z>0,即第四象限)振动响应程度越大,但沿楼板长度和宽度方向的衰减很快,楼板振动幅度较大的区域并不大。方案二情况下,楼板竖直向振动速度和加速度的绝对数值不大,且整个楼板的速度和加速度分布比较均匀,说明若尾水管内压力脉动幅值较小且以低频为主,其引起厂房楼板的振动幅度将不大。
另外,讨论3种计算方案下楼板特征点F1竖直向振动速度的时程曲线及其频谱特性,见图6。7fn~9fn频率范围内的尾水管脉动压力引起的楼板竖直向振动速度要明显大过以低频为主的压力脉动引起的振动速度,进一步说明尾水管中高频压力脉动对厂房楼板振动的影响程度较大。参照图2,可以发现楼板竖直向振动速度的FFT频谱与脉动压力频谱整体看较为接近,但图6中方案二振动速度的主频不明显,说明低频脉动压力对楼板振动速度的影响较小。
3.2 尾水锥管段的动力响应
考虑到尾水管进人孔处的尾水锥管段钢衬没有混凝土包裹,加之脉动压力直接作用在尾水锥管上,该部分尾水管的动力响应值得关注。因此,选取尾水锥管段的一个特征点W1,如图7所示。图7中粗线框出的部分即为尾水管钢衬无混凝土包裹范围,尺寸达到了1.5m×2.0m(宽×高),而W1点为尾水管钢衬上最接近进人孔中心的一个节点,即W1点处于尾水管在脉动压力作用下振动响应最大的区域。
W1点的径向振幅、振动速度和振动加速度的峰值和均方根见表5。分析3种方案尾水管直锥段的振幅、振动速度和振动加速度,发现7fn~9fn频率范围的压力脉动对振幅的影响程度相对更大,对振动速度的影响程度次之,对振动加速度的影响程度很小。从特征点W1的径向振幅峰值看,7fn~9fn频率范围的压力脉动引起的振幅峰值为2.65μm,此时整体的振幅峰值为3.03μm;振幅均方根值分别为1.00和1.27μm。说明尾水管振幅受压力脉动的影响更加敏感。图8为W1点径向振幅时程曲线及FFT频谱。
4 结语
通过以上分析,初步得到以下结论。
(1)尾水管脉动压力作用下楼板第四象限边缘处振幅、振动速度和振动加速度较大,越靠近风罩的楼板振动响应越小;孔洞附近的楼板振动响应有所增大,但增加幅度不大。
(2)尾水管压力脉动中幅值较大的高频成分贡献了楼板竖直向振动能量的绝大部分,但振动速度和加速度沿楼板长度和宽度方向的衰减速度较快。如果尾水管中出现了主频为高频的压力脉动,即使幅值较小,也需引起重视,关注其对水电站厂房楼板结构的振动影响。