水力脉动对水电站机组及厂房结构的影响研究与振动控制综述.pdf

第33巻第10期
长
Vol33 No10
2016年10)E
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute
(el.20]6
doi:10.11988./ ckmb.20)160042
2016,33(10):135-139
水力脉动对水电站机组及)房结构的影响
研究与振动控制综述
耿聃,宋志强,苏晨辉
西安理工大学水电学院,西安710048
摘要:水力振源在某些工況下可能刈机组的常运行造成影叫,同引起厂房结构不同稈度的振动,阻水力振源
烦域分布,作用范大,是水力、机械、也磁3利和振源中最主要的振源,因此研究水力脉及其造成的影响勹着十
分重要的意义。现有的研究成果对」水力振源特性的研究正要依赖J模型试验,存在破尺寸比例误差和测点过
少等问题,对于机组及厂房结构的振动稳定性计算乜过于简化。根据计算流体动力学(CFD)数们模拟方法,提出
种新的厂房水振源斫究方法,将水力报源转化为激励作用于转轮、蜗売、尾水管部,研究机组及厂房鉛构的
稳定性,是未来可能的水力振源施加新方法,有着甙要工程实际意义及应用前景
关键词:水力脉动;CFD数代模拟;组;厂房;振动
中图分类号:Tv73];TK730文献标志码
文章编号:1001-5485(2016)10-(01.35
动的主要原因,是当前水电站)房振动研究的主
研究背景
要内容。为确保组安个运行和房安?,加强刈
水力振源和机组、房振动稳定性的研究具有「分
水电足清洁能源,随着经济的快速发展和地球重要的文际意义
资源的日流紧张,电力供应已成为可持续发展和能
以往机组轴系统处的水力脉动荷载通常被简化
源安?的重要组成,我国水电行业仍有很大发展空或忽略,完和尾水管壁面的水力脉动作为附加质
间,一大批巨型和大型水电站正在规划和建设中。量或采用谐响应、时间所程等方法处理,均在定程
近儿年,随着我国水电站的大規模建设,机组容量和度上对水力振源进行了简化,对于复杂H带有随机
人寸越来越大,由此引发的水电站厂房振动阿题也性的水力振源特性及其可起的振动响应问题研究尚
口凎突出。国内外多家水电站出现较严重的机不明确,因此,?水轮机流道だ力脉动进行数值模拟
红和房振动问题,如我国的刘家峡、强溪、犬生研究、俯定更准俯的水力振源表达方式有着重要意
桥一级、岩滩、红石、小浪底,美国的大谷力、俄罗斯义及工程应用前景
的萨扬舒申斯克水也站6,机组及厂房振动问
题愈加受到重视。机械、水力、电磁3类振源为机
及厂房结构振动的主要振源,般认为影响最大的
2水力脉动对机组的影响
足水力振源。由于嘲売、尾水管等部位形状复杂,加
水轮机的3大性能指标分别为家化、效率和秾定
上水轮机运行.況频繁变化,因此水力振源足振源性,其中对丁さ化和效率的研究较为深入,随着叶片
中最复杂和难以把握的。水力脉动按照初始可能产设计与优化水半的提高,水轮机已达到很高的水力效
生的位置分为:叶片颖率压力脉动、卡门满、小开度率,机组稳定性河题已成为当下研究热点。水力脉
区和大开度区压力脉动;尾水管带动和转轮逃动主要通过以下2个方面对机组稳定性产生影响
宫间隙压力脉动い等。对于水轮机发电机组,水カ2.1水力脉动对转轮叶片的影响
脉动易对转轮造成不利影响,如叶片开裂和祓少
混流式水轮机转轮叶片水力设计足在最优.况
寿命等,且不利于轴系统稳定性,出现机纯出力摆下进行削,因此运行.就的変化对机组稳定性影响
动加大,机组、厂房振动加刷等问题別。对于厂房很大,即叶道中流态会发4根本性变化,产牛沩带及
结构,流道内水休的压力脉动是引起)房薄弱部位涡带ド力脉动,引起转轮叶片的开裂和机组振动问
收稿日期:2016-01-14;修回日期;2016-03-01
基金项目:国家自然科学基日(51470165
作者简介:聃(1991-),女,河北治州人,硕上研究生,研究方向为水电站机组」労振动,(电话)182928770(电子信箱)78505536mq
术学院院表
06年
版?;小开度区压力脉动、尾水管涡带瓜力脉动和系统的振动响成?机组的动荷载,使数模拟更接
叶片绕流形成的卡门列场对水轮机叶片利机纽稳近真实情况,则可为设计阶段提供可依据。
定性造成不利影响,长期运行可能会便叶片出现波
劳破坏。感伟丽等研究认为尾水管内长涡带产
生像钴机式的切削作川,影响机组正常运行,月易位3水力脉动对厂房振动的影响
转轮叶片出现裂纹;梁权等运用流圖耦合三维
水压脉动主要可通过2条途径向「传递,对厂
有限元方法,得到了转轮在水体中的振动特性,转轮房上部风罩、楼板等薄躬构件产牛影啊。·是
叶片有频率易与卡门涡列和旋转频率重合,引起转轮大轴导轴承机架支臂上机?基础风
结构共振沪生裂纹。蔡政为H在考虑转轮存在岸楼板接对厂房作用;こ是通过机礅、蜗壳外固
磺向摆动和扭振运动的情况下,运川変分原理和加混凝传递至柱梁和风罩,再传递到楼板,或通过尾
权余量法建立了转轮内部流周耦个削有限元方程。水管传递到蜗壳外混凝上,然后传釗机礅、梁柱和
口前し可利用有限元软件较精确地研究转轮内流体风罩,再传递到楼板-1。流道内水体的存在主要通
和叶片上压力大小及开裂情沈
过以下2利方式对厂房结构稳定性产生影响
2.2水力脉动对轴系统稳定性的影响
3.1水力脉动对厂房共振的影响
机纠轴系统动力特性和定性是机纠安全运
机械、屯磁、水力3种振源中,水力振源频带最
的重要指标。研究机红振情沈,应研完整轴系宽,Ⅱ低频至高频均有分布.最谷易与厂房结构门振
将水力、机械、也磁3种振源综合考虑。其中对于频率重合,引起共振。然而)房固有频率并不是固
水力振源,通常将转轮内旋转水体质量与转轮质量合定不変,多位学者山研究表明厂房流道内水体的存
为一体作用于转轮中心,将水力不平衡力作为周期性在会改变厂房结构的振动特性。张存慧等利げ
激励施加于转轮处。李兆年樂利用有限元法势流体单元模拟了水电站厂房流道内水体,研究表
建立了混流式水轮机主轴系统的非线性全耦合动力明由于流道内水体的存在,厂房结构的固振动特
学方科,该方程较好地体现了轴系统的动力学性能及性发生了不同科度的改变,H高阶频率所受影较
水力参数、电磁参数和结构参数之间的实际关系
大。张辉东等利用强耦合法计算了某厂房流固
志等综合考虑了电和水力密封振源,建立了鹔合派动特行,并与流道内无水約厂房进行比较,
机组轴系统三维有限元模,研究了緇埘参数、电磁为在水体的作用ド,结构的干模态频率仕总体大下
参数、大轴直径和轴承刚度等参数对轴系统临界失稳湿模忩频率,且流体主要影响蜗完及尾水管外大体
转速的影响。正伟等?估算了机组在不同下积混凝土的振动,对发电机层及上部结构振型影响
水力脉动对上导、转子中心、水导和转轮中心等处的很小。以往对)房进行买振校核时,通常将流道
振动摆度响应,分析了机组轴系统的稳定
内水休作为附加质量施加于结构内壁,无法反映水
对水电机组轴系统转轮上荷载的处理方式为?体脉动特性,共振校核结艰也有所偏差,因此对于
关注封处的水力不平衡和转轮的机械不平衡等周》结构共振校核的研究愈加复杂化。
期荷载,而复杂且近似随机的水力脉动荷载往往被3.2水力脉动对厂房振动响应的影响
简化或忽略,或通过反应普分析来考虑,但此方法所
动力响应法主要包括拟静力法、谐响应