水电站厂房机组支承结构振动分析及结构优化

水电站厂房机组支承结构振动分析及结构优化
作者：王积勋
来源：《价值工程》2013年第25期
摘要：本文对水电厂房机组支承结构振动中的问题作出了论述，对于目前国内外水电站厂房机组支承结构振动作出了相关探讨，并对其结构优化做出了分析，为相关的工作者提供一定的借鉴和参考。

Abstract： The vibration issues of hydropower plant unit support structure is discussed. It made relevant discussion on the current domestic and international unit supporting structure vibration of hydropower plant， and analyzed its structural optimization， providing reference for certain related workers.
关键词：水电站厂房；机组支撑结构；振动；结构优化
Key words： hydropower plant；unit support structure；vibration；structural optimization
中图分类号：TV731 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）25-0079-02
1 探讨水电站厂房机组支承结构的振动问题
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。

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