红石水电站机组振动及诱发厂坝振动分析

电力18讯：    摘要：红石水电站机组振动诱发了厂坝振动，通过现场振动试验、结构动力计算及模型试验，实现了振动故障诊断，并为进一步的加固处理和消减振动措施的实施提供了重要理论基础。

红石水电站是白山水电站的下游梯级电站，为河床式厂房，装机4台单机容量为50 MW的轴流定桨式水轮发电机组，水轮机额定水头23.3 m，额定转速107.1 r／min，水轮机为5个叶片的转轮，有12个固定导叶，24个活动导叶。机组自运行以来，一直存在较为明显的振动，主要表现为大轴摆度过大，噪声和厂房结构振动。经过10余年的维护及研究处理，都难以根治并有日渐加剧的趋势，厂房上下游立柱在发电机层以上2m左右的断面上出现周边裂缝，主副厂房的门窗及墙壁孔洞周边也均有裂缝出现。机组振动不仅直接影响到厂房及挡水结构，而且传递到挡水坝和溢流坝，引起大坝振动，造成大坝位移观测设备精度降低。这种现象在国内外大中型水电站中均不多见。笔者通过现场振动试验、结构动力分析和模型试验，探讨机组及建筑物的振源以及耦联振动的发生和发展机理，为事故处理和结构抗振加固提供理论依据，也为类似工程问题的解决提供借鉴。

1  现场振动试验

现场试验包括机组在各种运行工况下的振动测量和爆破激励厂房大坝固有振动特性的测量。

1.1  机组振动试验成果与分析

机组振动是厂坝的主要振源，为此，首先对无补气装置的2号机和有补气装置的4号机进行了重点测试。试验工况包括：无励变转速、空载有励、增负荷过程和机组运行台数不同组合及补气阀不同开度等。测试内容包括：大轴摆度(上中下3点)，蜗壳、尾水管、顶盖及导流锥等位置的水压脉动，顶盖和支架盖加速度，厂房上下游立柱加速度等。经过频谱分析与整理，主要成果汇总列于表1。

由于工况和测点较多，每个测点的频谱又包含了复杂的频率成分，因此表1中仅列出振动突出工况的主振频率及其特征。从整个试验结果分析，机组振源大致可划分为：①0.295～0.875 Hz为尾水管低频水压脉动；②1.5～1.875 Hz为不平衡产生的转频振动；③3.0～4.75 Hz为转频的倍频振动； 5.0～7.5 Hz为4倍转频范围振动；⑤8.0～10.0 Hz为转轮室水力振动(Zrfn)⑥；18.0～24.0 Hz为导叶后水压脉动(Zbfn)；⑦40.0～45.0 Hz为导叶后水压脉动(Zgfn)。

1.2  厂房、大坝结构振动试验

厂房及大坝结构振动反应较大，可能是与机组振源发生共振或产生较强烈的振动传递放大，必须首先测出结构的固有振动频率。由于厂坝结构尺寸较大，一般的激振方法难以得到有效的加速度响应，这次采用在上游水库水下投炸药爆炸的激振方法，利用传感器测量冲击响应。4号机组段测点布置如图1，共有中柱及边柱布置12个传感器；3个坝段测振传感器布置图见图2。经过频谱分析，得到若干阶主要频率列于表2。


2  机组及厂坝结构动力计算

为与试验相互配合验证，更完善地进行振动故障诊断，结构的动力分析也是必须的。

2.1机组轴系统的振动计算

大轴及旋转体系是振动的主体和关键，水力、机械和电磁动荷载均首先反映在大轴摆动上，又通过轴承及其支持系统向外传递。为此首先计算轴系的固有振动，计算模型见图3。大轴按梁单单元模拟，利用有限单元法分析。转子等考虑其集中质量和转动惯量；轴承处用集中刚度和集中阻尼模拟油膜和支持体系的动力特性。据有关资料，导轴承刚度系数近似取2×104kN／cm，忽略阻尼。



由于导轴承刚度因电站而异，故表3列出了不同刚度系数下的结果，供比较。基频大约在2.44～3.44 Hz范围内。同时也注意到，红石机组无下导，且大轴较长，刚度低，故造成法兰处摆度过大。增设下导轴承可能会改善振动状况，故进一步作了计算分析，从表3中结果看，增设下导，轴系频率有显著提高。


2.2  厂房、大坝的振动计算

利用有限单元法，分别计算了挡水坝段、溢流坝段和厂房结构的自振频率。对于厂房，又分别考虑了上部框架结构和厂房挡水及水下整体结构。库水水体的耦合作用按附加质量计算，计算结果列于表4。


3  厂房结构动力模型试验

为准确全面地掌握厂房的动力特性，并与测试及计算成果相互印证，进行了大比尺结构动力模型试验。整体结构模型比尺为1／50，发电机层以上厂房模型比尺为1／25，用有机玻璃材料加工制作。动力模型试验的过程为：正弦信号由信号发生器产生，经功率放大器放大后输入激振器，产生正弦波激振力，作用在结构上，即可进行单频的稳态正弦激振试验。响应信号由加速度传感器拾取，经电荷放大器放大后送入信号分析仪，可精确地获得共振响应时的结构自振频率值及各测点相位差。两模型的固有频率经换算到原型后给出，列于表5中。可见对上部结构，单独选取发电机层以上结构模型进行分析也是可行的。

比较试验及计算结果，可以得出如下结论：①对大坝结构，现场试<