耿 聃，宋志強(qiáng)，蘇晨輝

(西安理工大學(xué) 水電學(xué)院，西安 710048)

?

水力脈動(dòng)對(duì)水電站機(jī)組及廠房結(jié)構(gòu)的影響研究與振動(dòng)控制綜述

耿 聃，宋志強(qiáng)，蘇晨輝

(西安理工大學(xué) 水電學(xué)院，西安 710048)

水力振源在某些工況下可能對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行造成影響，同時(shí)引起廠房結(jié)構(gòu)不同程度的振動(dòng)，且水力振源頻域分布廣，作用范圍大，是水力、機(jī)械、電磁3種振源中最主要的振源，因此研究水力脈動(dòng)及其造成的影響有著十分重要的意義?，F(xiàn)有的研究成果對(duì)于水力振源特性的研究主要依賴于模型試驗(yàn)，存在模型尺寸比例誤差和測(cè)點(diǎn)過(guò)少等問(wèn)題，對(duì)于機(jī)組及廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算也過(guò)于簡(jiǎn)化。根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法，提出一種新的廠房水力振源研究方法，將水力振源轉(zhuǎn)化為激勵(lì)作用于轉(zhuǎn)輪、蝸殼、尾水管部位，研究機(jī)組及廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是未來(lái)可能的水力振源施加新方法，有著重要工程實(shí)際意義及應(yīng)用前景。

水力脈動(dòng)；CFD數(shù)值模擬；機(jī)組；廠房；振動(dòng)

1 研究背景

水電是清潔能源，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和地球資源的日益緊張，電力供應(yīng)已成為可持續(xù)發(fā)展和能源安全的重要組成，我國(guó)水電行業(yè)仍有很大發(fā)展空間，一大批巨型和大型水電站正在規(guī)劃和建設(shè)中。近幾年，隨著我國(guó)水電站的大規(guī)模建設(shè)，機(jī)組容量和尺寸越來(lái)越大，由此引發(fā)的水電站廠房振動(dòng)問(wèn)題也日益突出[1]。國(guó)內(nèi)外多家水電站出現(xiàn)較嚴(yán)重的機(jī)組和廠房振動(dòng)問(wèn)題，如我國(guó)的劉家峽、五強(qiáng)溪、天生橋一級(jí)、巖灘、紅石、小浪底，美國(guó)的大谷力、俄羅斯的薩揚(yáng)舒申斯克水電站等[2-6]，機(jī)組及廠房振動(dòng)問(wèn)題愈加受到重視。機(jī)械、水力、電磁3類振源為機(jī)組及廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要振源，一般認(rèn)為影響最大的是水力振源。由于蝸殼、尾水管等部位形狀復(fù)雜，加上水輪機(jī)運(yùn)行工況頻繁變化，因此水力振源是振源中最復(fù)雜和難以把握的。水力脈動(dòng)按照初始可能產(chǎn)生的位置分為：葉片頻率壓力脈動(dòng)、卡門渦、小開(kāi)度區(qū)和大開(kāi)度區(qū)壓力脈動(dòng)；尾水管渦帶擺動(dòng)和轉(zhuǎn)輪迷宮間隙壓力脈動(dòng)[7]等。對(duì)于水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，水力脈動(dòng)易對(duì)轉(zhuǎn)輪造成不利影響，如葉片開(kāi)裂和減少使用壽命等，且不利于軸系統(tǒng)穩(wěn)定性，出現(xiàn)機(jī)組出力擺動(dòng)加大，機(jī)組、廠房振動(dòng)加劇等問(wèn)題[8]。對(duì)于廠房結(jié)構(gòu)，流道內(nèi)水體的壓力脈動(dòng)是引起廠房薄弱部位振動(dòng)的主要原因，是當(dāng)前水電站廠房振動(dòng)研究的主要內(nèi)容。為確保機(jī)組安全運(yùn)行和廠房安全，加強(qiáng)對(duì)水力振源和機(jī)組、廠房振動(dòng)穩(wěn)定性的研究具有十分重要的實(shí)際意義。

以往機(jī)組軸系統(tǒng)處的水力脈動(dòng)荷載通常被簡(jiǎn)化或忽略，蝸殼和尾水管壁面的水力脈動(dòng)作為附加質(zhì)量或采用諧響應(yīng)、時(shí)間歷程等方法處理，均在一定程度上對(duì)水力振源進(jìn)行了簡(jiǎn)化，對(duì)于復(fù)雜且?guī)в须S機(jī)性的水力振源特性及其引起的振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題研究尚不明確，因此，對(duì)水輪機(jī)流道壓力脈動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究、確定更準(zhǔn)確的水力振源表達(dá)方式有著重要意義及工程應(yīng)用前景。

2 水力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組的影響

水輪機(jī)的3大性能指標(biāo)分別為空化、效率和穩(wěn)定性，其中對(duì)于空化和效率的研究較為深入，隨著葉片設(shè)計(jì)與優(yōu)化水平的提高，水輪機(jī)已達(dá)到很高的水力效率，而機(jī)組穩(wěn)定性問(wèn)題已成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。水力脈動(dòng)主要通過(guò)以下2個(gè)方面對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.1 水力脈動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的影響

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片水力設(shè)計(jì)是在最優(yōu)工況下進(jìn)行的，因此運(yùn)行工況的變化對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性影響很大，即葉道中流態(tài)會(huì)發(fā)生根本性變化，產(chǎn)生渦帶及渦帶壓力脈動(dòng)，引起轉(zhuǎn)輪葉片的開(kāi)裂和機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題[9]；小開(kāi)度區(qū)壓力脈動(dòng)、尾水管渦帶壓力脈動(dòng)和葉片繞流形成的卡門渦列均對(duì)水輪機(jī)葉片和機(jī)組穩(wěn)定性造成不利影響，長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)使葉片出現(xiàn)疲勞破壞。廖偉麗等[10]研究認(rèn)為尾水管內(nèi)長(zhǎng)渦帶產(chǎn)生像鉆機(jī)式的切削作用，影響機(jī)組正常運(yùn)行，且易使轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋；梁權(quán)偉等[11]運(yùn)用流固耦合三維有限元方法，得到了轉(zhuǎn)輪在水體中的振動(dòng)特性，轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率易與卡門渦列和旋轉(zhuǎn)頻率重合，引起結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生裂紋。蔡敢為等[12]在考慮轉(zhuǎn)輪存在橫向擺動(dòng)和扭振運(yùn)動(dòng)的情況下,運(yùn)用變分原理和加權(quán)余量法建立了轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流固耦合的有限元方程。目前已可利用有限元軟件較精確地研究轉(zhuǎn)輪內(nèi)流體和葉片上壓力大小及開(kāi)裂情況。

2.2 水力脈動(dòng)對(duì)軸系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

機(jī)組軸系統(tǒng)動(dòng)力特性和穩(wěn)定性是機(jī)組安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。研究機(jī)組振動(dòng)情況，應(yīng)研究完整軸系統(tǒng)，將水力、機(jī)械、電磁3種振源綜合考慮。其中對(duì)于水力振源，通常將轉(zhuǎn)輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)水體質(zhì)量與轉(zhuǎn)輪質(zhì)量合為一體作用于轉(zhuǎn)輪中心，將水力不平衡力作為周期性激勵(lì)施加于轉(zhuǎn)輪處[13]。李兆軍等[14]利用有限元法建立了混流式水輪機(jī)主軸系統(tǒng)的非線性全耦合動(dòng)力學(xué)方程，該方程較好地體現(xiàn)了軸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能及水力參數(shù)、電磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的實(shí)際關(guān)系。宋志強(qiáng)等[15]綜合考慮了電磁和水力密封振源，建立了機(jī)組軸系統(tǒng)三維有限元模型，研究了密封參數(shù)、電磁參數(shù)、大軸直徑和軸承剛度等參數(shù)對(duì)軸系統(tǒng)臨界失穩(wěn)轉(zhuǎn)速的影響。王正偉等[13]估算了機(jī)組在不同工況下水力脈動(dòng)對(duì)上導(dǎo)、轉(zhuǎn)子中心、水導(dǎo)和轉(zhuǎn)輪中心等處的振動(dòng)擺度響應(yīng)，分析了機(jī)組軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

對(duì)水電機(jī)組軸系統(tǒng)轉(zhuǎn)輪上荷載的處理方式為只關(guān)注密封處的水力不平衡和轉(zhuǎn)輪的機(jī)械不平衡等周期荷載，而復(fù)雜且近似隨機(jī)的水力脈動(dòng)荷載往往被簡(jiǎn)化或忽略，或通過(guò)反應(yīng)譜分析來(lái)考慮，但此方法所需的功率譜函數(shù)卻只能根據(jù)試驗(yàn)或借用運(yùn)行機(jī)組的實(shí)測(cè)結(jié)果。無(wú)法準(zhǔn)確確定軸系統(tǒng)上包括水力脈動(dòng)荷載在內(nèi)的各種振源荷載，就無(wú)法在機(jī)組軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段對(duì)軸系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，也就無(wú)法指導(dǎo)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段計(jì)算機(jī)技術(shù)和CFD模擬手段已較為成熟，已能很好地模擬水流形態(tài)、計(jì)算壓力脈動(dòng)，研究轉(zhuǎn)輪葉片處開(kāi)裂及振動(dòng)情況；但這些技術(shù)僅能獲得轉(zhuǎn)輪處壓力脈動(dòng)情況，且只考慮了水力振源對(duì)轉(zhuǎn)輪處的影響，未能涉及完整軸系統(tǒng)，對(duì)于機(jī)組整體振動(dòng)情況及機(jī)組動(dòng)荷載，尚不能準(zhǔn)確把握。若將二者結(jié)合，研究軸系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)，在轉(zhuǎn)輪處精確施加水力脈動(dòng)，精確確定軸系統(tǒng)上的水力荷載，獲得主軸系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)和機(jī)組的動(dòng)荷載，使數(shù)值模擬更接近真實(shí)情況，則可為設(shè)計(jì)階段提供可靠依據(jù)。

3 水力脈動(dòng)對(duì)廠房振動(dòng)的影響

水壓脈動(dòng)主要可通過(guò)2條途徑向上傳遞，對(duì)廠房上部風(fēng)罩、樓板等薄弱構(gòu)件產(chǎn)生影響。一是通過(guò)轉(zhuǎn)輪大軸—導(dǎo)軸承—機(jī)架支臂—上機(jī)架基礎(chǔ)—風(fēng)罩—樓板間接對(duì)廠房作用；二是通過(guò)機(jī)礅、蝸殼外圍混凝土傳遞至柱梁和風(fēng)罩，再傳遞到樓板，或通過(guò)尾水管傳遞到蝸殼外圍混凝土，然后傳到機(jī)礅、梁柱和風(fēng)罩，再傳遞到樓板[16]。流道內(nèi)水體的存在主要通過(guò)以下2種方式對(duì)廠房結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3.1 水力脈動(dòng)對(duì)廠房共振的影響

機(jī)械、電磁、水力3種振源中，水力振源頻帶最寬，且低頻至高頻均有分布，最容易與廠房結(jié)構(gòu)自振頻率重合，引起共振。然而廠房固有頻率并不是固定不變，多位學(xué)者已研究表明廠房流道內(nèi)水體的存在會(huì)改變廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。張存慧等[17]利用勢(shì)流體單元模擬了水電站廠房流道內(nèi)水體，研究表明由于流道內(nèi)水體的存在，廠房結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性發(fā)生了不同程度的改變，且高階頻率所受影響較大。張輝東等[18]利用強(qiáng)耦合法計(jì)算了某廠房流固耦合振動(dòng)特征，并與流道內(nèi)無(wú)水的廠房進(jìn)行比較，認(rèn)為在水體的作用下，結(jié)構(gòu)的干模態(tài)頻率值總體大于濕模態(tài)頻率，且流體主要影響蝸殼及尾水管外大體積混凝土的振動(dòng)，對(duì)發(fā)電機(jī)層及上部結(jié)構(gòu)振型影響很小[19]。以往對(duì)廠房進(jìn)行共振校核時(shí)，通常將流道內(nèi)水體作為附加質(zhì)量施加于結(jié)構(gòu)內(nèi)壁，無(wú)法反映水體脈動(dòng)特性，共振校核結(jié)果也有所偏差，因此對(duì)于廠房結(jié)構(gòu)共振校核的研究愈加復(fù)雜化。

3.2 水力脈動(dòng)對(duì)廠房振動(dòng)響應(yīng)的影響

動(dòng)力響應(yīng)法主要包括擬靜力法、諧響應(yīng)分析和時(shí)間歷程法3種。

擬靜力法是在靜力學(xué)方法基礎(chǔ)上，近似解決動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的簡(jiǎn)易方法，將荷載考慮動(dòng)力系數(shù)后作為靜荷載施加至受力結(jié)構(gòu)，計(jì)算的靜力結(jié)果(靜位移、靜應(yīng)力等)即為動(dòng)力響應(yīng)幅值[20]。該方法能一定程度上反映動(dòng)荷載的特性，計(jì)算方法簡(jiǎn)單、工作量小，但該法不能反映結(jié)構(gòu)間的耦合作用和動(dòng)力響應(yīng)，且受動(dòng)力系數(shù)的限制，計(jì)算精度較差。

諧響應(yīng)分析用于確定線性結(jié)構(gòu)在正弦荷載作用下達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的響應(yīng)，研究廠房振動(dòng)響應(yīng)時(shí)，蝸殼、尾水管結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力脈動(dòng)作為簡(jiǎn)諧荷載施加，且多用荷載均勻分布且同相位這種最不利情況進(jìn)行研究[21-23]。諧響應(yīng)分析通過(guò)施加一定頻率范圍內(nèi)的荷載，找出廠房薄弱部位的強(qiáng)振頻率和振幅包絡(luò)值[24]，從而驗(yàn)證廠房能否克服共振及其他受迫振動(dòng)。諧響應(yīng)分析不必依賴于模型試驗(yàn)，可根據(jù)數(shù)值模擬方法一定程度上反映出壓力脈動(dòng)特點(diǎn)，但由于壓力脈動(dòng)的隨機(jī)性和非線性，諧響應(yīng)分析方法并不能準(zhǔn)確反映出流場(chǎng)內(nèi)壓力脈動(dòng)的真實(shí)情況。

時(shí)間歷程法是將模型試驗(yàn)各工況所測(cè)得的壓力脈動(dòng)結(jié)果直接轉(zhuǎn)換為原型的壓力脈動(dòng)歷程曲線，作為激勵(lì)輸入，得到廠房各部位的振動(dòng)反映(如位移、速度、加速度等)[25-26]。時(shí)間歷程法較諧響應(yīng)分析法更能反映流場(chǎng)內(nèi)真實(shí)情況，但時(shí)間歷程法需有模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而測(cè)點(diǎn)數(shù)目少，且壓力脈動(dòng)轉(zhuǎn)換為原型的壓力脈動(dòng)歷程曲線時(shí)會(huì)有點(diǎn)面轉(zhuǎn)化等誤差，不能精確反映水力振源對(duì)廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)的作用。

4 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬水力振源方法

傳統(tǒng)研究水力振源的方法主要有模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。模型試驗(yàn)受模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)、測(cè)點(diǎn)布置、相似性以及經(jīng)費(fèi)和時(shí)間等諸多因素的限制，難以準(zhǔn)確反映實(shí)際情況；數(shù)值模擬對(duì)壓力脈動(dòng)施加方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)果不夠精確合理。新興的研究方法如流固耦合，可準(zhǔn)確模擬水體形態(tài)并研究流體與固體間的相互作用，然而往往存在數(shù)值求解的困難，且流道中尾水管等結(jié)構(gòu)變形極小可忽略不計(jì)，因此可考慮采取在固體振動(dòng)系統(tǒng)中單向施加水力振源的方法[22]。CFD方法適用性強(qiáng)，可以求解各種邊界條件和復(fù)雜幾何形狀下的黏性流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。目前已廣泛應(yīng)用于指導(dǎo)水力機(jī)械的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，且CFD方法不必受限于模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，省時(shí)省錢，能快速得到完整的資料，便于作多方案比較[27]，適合機(jī)組與廠房在設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及振動(dòng)穩(wěn)定性等方面的預(yù)測(cè)。利用CFD數(shù)值模擬得到的脈動(dòng)壓力結(jié)果作為輸入值，能在流道內(nèi)水體更為精確、真實(shí)的情況下，研究壓力脈動(dòng)產(chǎn)生激振力作用下廠房的振動(dòng)響應(yīng)，并分析脈動(dòng)壓力的優(yōu)勢(shì)頻率，進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)的共振校核，該方法為研究壓力脈動(dòng)輸入新方法提供了新思路。

基于CFD方法，可求出蝸殼、尾水管等部位的脈動(dòng)壓力，并轉(zhuǎn)化為激振力作用在結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上，也可求出轉(zhuǎn)輪葉片所受水流壓力脈動(dòng)大小。結(jié)合軸系統(tǒng)得到機(jī)組振動(dòng)情況，可研究廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)和機(jī)組振動(dòng)，進(jìn)而確定機(jī)組動(dòng)荷載對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的作用及廠房結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)組的反作用，研究機(jī)組及廠房整體的振動(dòng)情況。其研究路線見(jiàn)圖1。

圖1 研究路線Fig.1 Road-map of the research

5 機(jī)組與廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)

5.1 機(jī)組振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

《水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T507—2014)，規(guī)定了水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)各部位的雙振幅值標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示[28]。

表1 水輪發(fā)電機(jī)組各部位振動(dòng)允許值

對(duì)于低轉(zhuǎn)速大型水輪發(fā)電機(jī)組，在100 Hz頻率下，定子系統(tǒng)中的定子機(jī)座、定子鐵芯、空氣冷卻器等振動(dòng)允許值為0.02 mm，轉(zhuǎn)頻情況下，振動(dòng)允許值為0.3 mm[29]?！端啓C(jī)基本技術(shù)條件》(GB/T15468—2006)[30]對(duì)主軸振動(dòng)幅值做了規(guī)定，正常運(yùn)行時(shí)主軸擺度≤275 μm。

5.2 廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范對(duì)于與機(jī)組直接接觸的部位提出一些振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，如 《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL266—2014)[31]規(guī)定，機(jī)礅的垂直振幅≤0.15 mm，水平橫向與扭轉(zhuǎn)振幅之和≤0.2 mm，且機(jī)墩自振頻率與強(qiáng)迫振動(dòng)頻率之差和自振頻率之比值應(yīng)>20%, 或強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與自振頻率之差和機(jī)墩強(qiáng)迫振動(dòng)頻率之比值應(yīng)>20% , 以防共振?！抖鄬訌S房樓蓋抗微振設(shè)計(jì)規(guī)范》[32]規(guī)定，機(jī)床豎向振動(dòng)最高限設(shè)定為：允許振動(dòng)位移10 μm，允許振動(dòng)速度1.5 mm/s。《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50040—96)[33]規(guī)定，對(duì)于低轉(zhuǎn)速電機(jī)基礎(chǔ)，振動(dòng)線位移上限0.16 mm，且當(dāng)廠房?jī)?nèi)有≤10 Hz的機(jī)器時(shí)，廠房設(shè)計(jì)宜避開(kāi)機(jī)器的共振區(qū)。

大量實(shí)測(cè)結(jié)果表明，水電站廠房結(jié)構(gòu)中樓板振感最強(qiáng)[34]，樓板振動(dòng)過(guò)強(qiáng)，不僅影響機(jī)組監(jiān)控操作設(shè)備的正常使用，也威脅著工作人員的身體健康。各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和不同行業(yè)之間差別較大，目前結(jié)合國(guó)外相關(guān)規(guī)定與水電站廠房特點(diǎn)，總結(jié)出一些建議值，如表2所示[35]。

表2 水電站主廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值

注：噪聲指標(biāo)為80～85 dB 。

6 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了水力振動(dòng)對(duì)機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響的研究現(xiàn)狀，介紹了廠房振動(dòng)響應(yīng)研究方法及機(jī)組、廠房振動(dòng)控制值?，F(xiàn)有的研究方法，不論是模型試驗(yàn)還是數(shù)值模擬，均有不利因素制約了水力振源特性的研究，無(wú)法準(zhǔn)確確定其對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

CFD作為一種可精確模擬流道內(nèi)水流形態(tài)與脈動(dòng)壓力大小的手段，可用于單向施加水力脈動(dòng)。本文結(jié)合CFD數(shù)值模擬，提出了一種廠房水力振源特性研究的新方法，并可將CFD計(jì)算所得水力脈動(dòng)結(jié)果作為輸入值，將各節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的壓力脈動(dòng)時(shí)程曲線轉(zhuǎn)換為激勵(lì)作用于轉(zhuǎn)輪葉片或蝸殼、尾水管壁面處，觀察機(jī)組軸系統(tǒng)及廠房薄弱部位的振動(dòng)響應(yīng)情況，為進(jìn)一步研究水力脈動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題打下基礎(chǔ)，為研究廠房水力振源及其影響提供了新的思路，結(jié)合本文內(nèi)容對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提出以下2點(diǎn)展望。

(1) 對(duì)模型試驗(yàn)與原型水壓脈動(dòng)之間的相似性規(guī)律進(jìn)行研究，希望通過(guò)相對(duì)較簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)的模型試驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)原型水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性，目前計(jì)算中假定結(jié)構(gòu)為線性結(jié)構(gòu)，壓力脈動(dòng)幅值與水頭呈正比，而若干試驗(yàn)證實(shí)原型機(jī)組的壓力脈動(dòng)往往大于模型試驗(yàn)的結(jié)果，原型與模型之間的相似性關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

(2) 通過(guò)對(duì)機(jī)組軸系統(tǒng)的完整模擬，將機(jī)組振動(dòng)與廠房振動(dòng)結(jié)合起來(lái)整體研究機(jī)組動(dòng)荷載與廠房結(jié)構(gòu)間的相互作用，為水輪機(jī)機(jī)組及廠房結(jié)構(gòu)確定隨機(jī)性水力振源提供了基礎(chǔ)思路。

[1] 唐培甲．巖灘水電站水輪機(jī)振動(dòng)問(wèn)題的研究[J]．紅水河，2000，19(3)：59-62.

[2] 孫建平，楊為民，鄭莉媛.天生橋一級(jí)水電廠房機(jī)組穩(wěn)定性分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2008，27(6)：163-167.

[3] 胡寶玉，張利新，鐘光華.小浪底轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生原因分析及處理措施[J].中國(guó)水利，2004，(12)：41-43.

[4] 沈 可, 張仲卿, 梁 政. 巖灘水電站廠房水力振動(dòng)計(jì)算[J] . 水電能源科學(xué), 2003, 21( 1) : 73- 75.

[5] 滕麗娟.水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].水電能源科學(xué)，2010，28(3)：124-126.

[6] 杜凱堂.五強(qiáng)溪水電站混流式機(jī)組不穩(wěn)定現(xiàn)象的分析和處理[J].大電機(jī)技術(shù)，2006，(4)：40-45.

[7] 李啟章，張 強(qiáng)，于紀(jì)幸，等.混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性研究[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

[8] 劉樹(shù)紅，邵 奇，吳玉林，等.三峽水輪機(jī)的非定常湍流計(jì)算及整機(jī)壓力脈動(dòng)分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004，23(5)：97-101.

[9] 馮建軍，武 樺，吳廣寬，等.偏工況下混流式水輪機(jī)壓力脈動(dòng)數(shù)值仿真及其改善措施研究[J].水利學(xué)報(bào)，2014，45(9)：1099-1105.

[10]廖偉麗，姬晉廷，逯 鵬，等.混流式水輪機(jī)的非定常流動(dòng)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(6)：134-140.

[11]梁權(quán)偉,王正偉，方 源.考慮流固耦合的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模態(tài)分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004，23(3)：116-120.

[12]蔡敢為,藍(lán)永庭,李兆軍，等.混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)流固耦合的有限元模型[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，33(1)：35-39.

[13]王正偉,喻 疆.大型水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2005，24(4)：62-66.

[14]李兆軍,蔡敢為,楊旭娟,等.混流式水輪發(fā)電機(jī)組主軸系統(tǒng)非線性全局耦合動(dòng)力學(xué)模型[J].機(jī)械強(qiáng)度，2008，30(2)：175-183.

[15]宋志強(qiáng),馬震岳，張大偉.電磁與密封作用下水電機(jī)組振動(dòng)的參數(shù)敏感性分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012，31(1)：226-231.

[16]王海軍，涂 凱，陳繼練.基于結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)的水電站廠房振動(dòng)傳遞路徑研究[J].水利學(xué)報(bào)，2015，46(10)：1247-1252.

[17]張存慧，周述達(dá).大型水電站廠房結(jié)構(gòu)流固耦合分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012，31(6)：192-197.

[18]張輝東.大型水電站廠房結(jié)構(gòu)流固耦合振動(dòng)特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2007，26(5)：134-137.

[19]張輝東，王元豐，周 穎.大型水電站廠房結(jié)構(gòu)流固耦聯(lián)振動(dòng)特性數(shù)值模擬[J].數(shù)值計(jì)算與計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，(12)：267-274.

[20]張 波.水電站廠房機(jī)礅組合結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析[D].大連:大連理工大學(xué)，2009.

[21]幸享林，陳建康，廖成剛，等.大型地下廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)分析[J].振動(dòng)與沖擊，2013，32(9)：21-27.

[22]郭 濤，張立翔，姚 激.水輪機(jī)流道壓力脈動(dòng)誘發(fā)廠房振動(dòng)分析[J].地震工程與工程振動(dòng)，2011，31(6)：136-140.

[23]沈 可.水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究[D] . 南寧: 廣西大學(xué), 2002.

[24]宋志強(qiáng),馬震岳,陳 婧,等.龍頭石水電站廠房振動(dòng)分析[J].水利學(xué)報(bào)，2008，39(8)：916-921.

[25]陳 婧，馬震岳.水輪機(jī)壓力脈動(dòng)誘發(fā)廠房振動(dòng)分析[J].水力發(fā)電，2004，30(5)：24-27.

[26]歐陽(yáng)金惠，張超然.巨型水電站廠房振動(dòng)預(yù)測(cè)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(2)：100-104.

[27]王福軍,黎耀軍,王文娥.水泵CFD 應(yīng)用中的若干問(wèn)題與思考[J].排灌機(jī)械，2005,23(5):1-10.

[28]DL/T 507—2014，水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

[29]馬震岳，董毓新.水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2003.

[30]GB/T15468—2006，水輪機(jī)基本技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[31]SL266—2014，水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

[32]GB50190—93,多層廠房樓蓋抗微振設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1994.

[33]GB50040—96，動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1997.

[34]沈 可.水電站廠房樓板振動(dòng)分析[J].人民長(zhǎng)江，2003，34(1)：52-54.

[35]馬震岳，董毓新.水電站機(jī)組及廠房振動(dòng)的研究與治理[M].北京，中國(guó)水利水電出版社，2004.

(編輯：姜小蘭)

Review on the Impact of Hydraulic Vibration onHydropower Unit and Hydropower House and Vibration Control

GENG Dan, SONG Zhi-qiang, SU Chen-hui

(School of Water and Electricity, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Hydraulic vibration source influences the normal operation of hydropower unit, and induces the vibration of powerhouse. As the most important source among the three vibration sources, hydraulic source distributes widely and affects large areas. Current research on the characteristics of hydraulic source mainly depends on model test which has scale error and is in lack of monitoring points. Also the stability calculation for hydropower unit and power house is excessively simplified. In view of this, a new approach of researching hydraulic source is put forward according to CFD (computational fluid dynamics) numerical simulation. The hydraulic source is converted into incitation on rotational wheel, spiral case and tail water tube to research the stability of unit and power house.

hydraulic pulse; CFD numerical simulation; unit; hydropower house; vibration

2016-01-14；

2016-03-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51479165)

耿 聃(1991-)，女，河北滄州人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗娬緳C(jī)組廠房振動(dòng)，(電話)18292877709(電子信箱)785055338@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160042

2016,33(10):135-139

TV731;TK730

A

1001-5485(2016)10-0135-05