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4.8μm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10μm时，速度为1·0 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1000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，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）：543-545 

　　[2]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）：650-653 

　　[3]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）：672-675