探讨水电站厂房设计中的振动问题.doc

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1、探讨水电站厂房设计中的振动问题【摘要】随着现代水轮发电机组的容量和尺寸设计也逐渐增大，转速也相应随之提高，使得某些水电站厂房出现振动过大的现象，这种振动不仅会对机组自身稳定性带来影响，有时还会给水电站的经济运行带来安全威胁。本文将对水电站厂房振动问题进行研究分析，并提出厂房在设计中应采用的相关抗振措施。【关键词】振动；分析；原因；措施1. 前言由于水电机组规模日益扩大，机组运行产生的激励荷载也较大，水电站厂房作为机组的支承结构，势必会受其影响而产生振动，特别是大型混流式水轮机的水力共振，这种共振不仅对自身机组稳定性产生影响，还使厂房产生整体或者局部的振动，并可对人体产生巨大的影响。因此，水电站

2、厂房在设计时应充分考虑到机组振动问题，采取有效措施对抗机组振动，使厂房受到机组振动影响降到最低。2.水电站厂房结构概况分析水电站厂房是水电站中装设了水轮发电机、水轮机以及各类辅助设备的建筑物，又是运行人员进行生产活动的场所，是各种型式水电站中必不可少的建筑物，水轮发电机以及水轮机的运行工作就是在水电站厂房中进行的。水电站厂房形式和布置等都不一样，按其结构设计和布置特点来看，其可分为坝内式、地下式、坝后厂房顶溢流式以及地面式等形式，坝内式通常设计于坝体空腔内，地下式大部分均设计于地下洞室内，坝后厂房顶溢流式位于溢流坝坝趾，地面式厂房中，从其位置布置特点来看又分为河床式厂房、岸边式厂房以及坝后式厂

3、房，地下式厂房有时有些会露出地而，但大部分均设计于地下洞室中。虽然水电站厂房形式不一、规模大小也各不相同，然而从它生产以及输送电能的角度来看，水电站厂房枢纽建筑物又可分为四部分，即主厂房、副厂房、主变压器场和高压开关站。主厂房是水电站厂房枢纽的主要部分，发电机以及辅助设备均安装于主厂房内，主厂房在高度上又分为数层，最高层安装有发电机，最下层是蜗壳层，中间一层安装水轮机，人们习惯将最高层称为上部结构，中间和最底层称为下部结构即支承结构，水轮机组荷载直接作用于此结构中。副厂房通常是紧挨着主厂房的，它主要是为主厂房服务而设的，相关的电气设备、中央控制设备以及必要的生活设施等就布设于副厂房中。3.水电

4、站厂房结构振动研究3.1振动评价标准（1）对仪器设备造成影响的评价标准。水电站厂房设计提出水电站厂房下部结构机墩的振幅应在0.20mm范围内；动力机器基础设计规范要求基础顶面允许的振动在转速低于500r/min时，以振动线位移0.16mm为控制限制2。另外，动力机器基础设计规范还规定，当厂房安装有不大于10Hz的低频率器时，厂房设计最好远离机器的共振区。隔振设计规范提出允许振动位移4.8m时，振动速度应为0.50mm/s。多层厂房楼盖抗微振设计规范规定，允许机床竖向振动为，位移为10m时，速度为10 mm/s。（2）对人体保健的影响。本文主要是对人体浸在振动环境中的情况对振动进行评价。人体全身

5、振动暴露的舒适性降低界限和评价标准指出，振动频率、暴露时间以及振动作用方向都会影响人体的舒适度，使舒适度有所降低；水利水电工程劳动安全与工业卫生设计规范指出，取振动主频率为10Hz、且暴露时间8h，人体的疲劳和工作能力在振动垂直向加速度0.4m/S2和水平加速度1.12m/s2时下降到极限；水力发电厂机电技术设计规范要求发电站厂房工作区域的标准噪音为，通信室和中控室最大65 dB-A，发电机层工作场所最大80 dB-A；水利水电工程劳动安全与工业卫生设计规范规定相关场所噪音限制值是，机组段内外的中控室分别为60 dB-A和70 dB-A，主机间各层为80 dB-A。（3）不同地域不同环境，水电

6、站厂房等各方面设计也不一样，振动限值的提出要充分考虑到受振种类、振动频率等方面的因素，根据我国水电站厂房设计的特点，提出以下建议值（表1所示）。表1 水电站主厂房振动控制标准建议值3.2水电站厂方结构振动原因分析（1）水轮机组动荷载相对增大。大型水轮机由于流量大、容易受到干扰的原因，其压力相对于中小型机组要大得多。大型水轮机组用以承受压力动脉部件的面积越大，其产生的动荷载也随之变大。因此，当大型水轮机组的压力动脉幅值相同时，其动荷载也必然会变大。（2）振动体固有频率降低，而共振可能性增大。水轮发电机组的转速属于十低转速旋转，其各种激发力的频率都比较低。大型水轮机组振动部件的固有频率也相对较低，

7、易十被低频激振力激发时，则会产生共振，共振体可以是水体也可以使固体。如普遍存在于水电站发电过程中的引水管路水体共振情况，其可能会引起个别发电机组在停机过程中产生剧烈的振动现象。（3）振动体刚度相对降低。在保持静应力和几何相似相等的情况下，机组部件及厂房结构的刚度会随着其线性尺寸的增大而减小。所以，可以定性的说，中小型机组的的支持部件及转轮叶片的刚度要比大型机组高。在相同的激振荷载下，大型机组的振动相对于中、小型机组大很多。此外，还应注意到，单纯以强度作为设计的目标、简单的几何放大，且不采取有效的预防措施，可能是致使某些大型水力机组稳定性不好的根本原因。4. 水电站厂房抗振设计研究（1）振动传递

8、途径的优化。水轮机组振动的传递主要是通过两个方面进行传递的，一是通过风罩传到电机层楼板上，另一种是通过蜗壳顶板上的立柱往上方向传递。因此，想要厂房结构的振动有所降低，那么首先就要切断或延长水轮机组振动的传递途径 。由于厂房刚度、强度以及抗振的需要，大、中型水电站的风罩的设计要求是，不采用有利于垂直抗振的设弹性垫层简支的连接方式，而应使风罩整体连接发电机层楼板。电机层楼板下的立柱可以增强楼板的刚度，但在蜗壳顶板上一般要尽量避免布置，因此，对于立柱的设置问题要进行充分的考虑。对于水电站厂房的构架柱，则应将力直接传到厂房一期混凝土上，同时不宜设计在尾水管的顶板上，最合适的方式是恰好落在尾水管的分流墩

9、上。（2）钢蜗壳外围混凝土浇筑方式的选择。为提高水轮机组的基础刚性，应采用“充水保压”蜗壳外围混凝浇筑方式进行浇筑，我国三峡水电站就是采用了这一方式。其原理是，钢蜗壳外围二期混凝土的建立采用了弹性垫层方案，蜗壳外围不能有效的嵌固蜗壳中可能存在的水压脉动，如果采用“充水保压”的浇筑方式，有利于钢蜗壳与其外围钢筋混凝土紧密接合而成为一个整体，从而使外围混凝土有效嵌固座环和蜗壳，提高水轮发电机机组运行时的稳定性。（3）厂房结构布置通常水电站厂房的上、下游边墙适宜采用实体墙结构进行建造，且应和发电机层的楼板固结，现浇钢筋混凝土肋形楼盖应用于发电机层楼板的建造。对于根据相关参数计算得出可能较容易发生较大

10、振动的部位，应对其加大板厚，而后在其板内连续配筋。此外，在发电机层楼板上不应凿设过多的用于通风等的孔口，预防割裂发电机层楼板的整体性，如三峡水电站只设有2个孔口，其楼梯孔转移设在副厂房中，这样的设计可以使得发电机层楼板整体性增强，且厂房的上、下游边墙采用的是实体墙结构设计，使三峡最大动荷载超出平常其他中小型水电站一倍时，其振幅与中小型水电站相比却刚刚持平。5.结束语随着我国经济和科技的飞速发展，工厂、企业以及人民用电的需求量也随之增大，使得水电站的建设规模越来越大，促使了大型水轮发动机的普遍使用，这就势必给厂房造成更大的振动问题，为减少振动对人体、仪器设备以及厂房结构的影响，厂房在设计时应充分考虑到振动的问题。【参考文献】1郭磊，刘德辉，李志红.智能诊断技术在水电机组振动故障诊断中的应用J. 水电能源科学.2009，15（04）：543-5452张存慧.大型水电站厂房及蜗壳结构静动力分析D.大连理工大学，2010，17（08）：650-6533王晓强，贾丽丽.水电站厂房设计中振动问题研究J.水利科技与经济. 2009，20（11）：672-6756