坝后式水电站厂房机墩组合结构动力特性研究
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摘要
随着近年来水轮机的引用水头和单机容量的急剧加大，机组振动和厂房结构振动问题越来越受到人们的关注。机组和厂房结构的异常振动可使厂房内的仪器设备失效，机组部件疲劳或破坏，从而影响机组的安全稳定运行，致使电站不能长期合理发挥效益；同时，机组和厂房结构的异常振动及其附带产生的较大的噪声会使现场工作人员产生不适，长时间暴露在较强振动与噪声下，对厂房内工作人员的身心健康会产生不良影响。因此，应该对水电站可能出现的振动进行仔细的研究，并加以控制和预防。本文针对万家寨水利枢纽坝后式水电站厂房采用三维有限元法对其机墩组合结构动力特性及有关问题进行了分析研究，主要得到如下成果：
对比研究表明，上部结构对机墩组合结构的自振特性有明显的影响，结构的频率与振型均有变化，因此，在精确计算中，应该考虑上部结构的影响。
指出尾水管及尾水副厂房对结构自振特性的影响，对力学模型选取范围问题进行了分析研究。
对整个机墩组合结构中的薄弱环节——楼板与风罩局部组合结构进行了自振特性的分析。
对电站厂房的机组振源进行分析，并对厂房机墩组合结构以及楼板与风罩组合结构进行了共振校核，给出了相应的防振措施。
对正常工况下的机墩组合结构进行动力响应计算，结果表明机墩各处的垂直（竖向）振幅、水平横向与扭转振幅之和均满足规范要求。
本文首次采用Meister曲线对电站厂房内振动对人体的影响作出评估，评估时，不能仅以动位移响应值为参考，应将频率这一因素考虑进去，联合进行。得出的结论与电站现场工作人员感觉基本一致。引用工业企业噪声卫生标准对水电站厂房的噪声水平进行了评价，可供参考。呼吁水电站厂房噪声治理标准早日出台，同时，要加强水电站厂房内噪声的治理，以确保工作人员的健康。
With the rapid increase of the reduced head and unit capacity of hydro turbine in recent years, more and more attention is paid to the vibration of units and mill construction. Abnormal vibrations of units and mill construction may cause the equipments in hydroplant inefficient, create fatigue in components of units, consequently, affect safe and stable operation of units, and the benefit of the hydroplant is also influenced. Meanwhile, the abnormal vibration and the huge noise may make the workers discomfort, long-term exposing to the vibration and noise can bring bad effect on body and mind of the workers. Therefore, careful study on the vibration that may appear should be made, and the measures to control and prevent vibrations need to be adopted. In this paper, aiming at Wanjiazhai hydropower station at dam toe, study on the dynamic characteristics of supporting composite construction and other relevant problems with three dimensional finite element method. The main results are as follows：
Comparative study shows that the superstructure has obvious influence on the inherent vibration characteristics of supporting composite construction, and the frequency and the mode of vibration are both changed. Therefore, in accurate study, the superstructure should be considered.
Point out the effects of considering hydraucone and auxiliary plant of tail water on the inherent vibration characteristics of supporting composite construction, and study the problem of choosing the range of the mechanical modal.
Analyze the inherent vibration characteristics of the composite structure of floor and wind tunnel, which is the bottle neck of the supporting composite construction.
Study the vibration source in hydroplant, and resonance checking is given to the supporting composite construction and the composite structure of floor and wind tunnel, then give the corresponding antivibration measures.
Calculate dynamic response of the supporting composite construction in normal condition. The results show that the vertical displacement and the sum of horizontal and torsional displacement both meet the criterion.
In this paper, first evaluate the effects of vibration in hydroplant on people using Meister curve. When evaluating, we should combine dynamic response value and frequency together. The results are consistent with the sense of workers in hydroplant. Valuating the noise in hydroplant with hygienic noise standard of industrial organization is just a reference. Appeal to establishing the standard about controlling noise in hydroplant soon, meanwhile, enhance controlling the noise in hydroplant in order to make the workers healthy.
对比研究表明，上部结构对机墩组合结构的自振特性有明显的影响，结构的频率与振型均有变化，因此，在精确计算中，应该考虑上部结构的影响。
指出尾水管及尾水副厂房对结构自振特性的影响，对力学模型选取范围问题进行了分析研究。
对整个机墩组合结构中的薄弱环节——楼板与风罩局部组合结构进行了自振特性的分析。
对电站厂房的机组振源进行分析，并对厂房机墩组合结构以及楼板与风罩组合结构进行了共振校核，给出了相应的防振措施。
对正常工况下的机墩组合结构进行动力响应计算，结果表明机墩各处的垂直（竖向）振幅、水平横向与扭转振幅之和均满足规范要求。
本文首次采用Meister曲线对电站厂房内振动对人体的影响作出评估，评估时，不能仅以动位移响应值为参考，应将频率这一因素考虑进去，联合进行。得出的结论与电站现场工作人员感觉基本一致。引用工业企业噪声卫生标准对水电站厂房的噪声水平进行了评价，可供参考。呼吁水电站厂房噪声治理标准早日出台，同时，要加强水电站厂房内噪声的治理，以确保工作人员的健康。
With the rapid increase of the reduced head and unit capacity of hydro turbine in recent years, more and more attention is paid to the vibration of units and mill construction. Abnormal vibrations of units and mill construction may cause the equipments in hydroplant inefficient, create fatigue in components of units, consequently, affect safe and stable operation of units, and the benefit of the hydroplant is also influenced. Meanwhile, the abnormal vibration and the huge noise may make the workers discomfort, long-term exposing to the vibration and noise can bring bad effect on body and mind of the workers. Therefore, careful study on the vibration that may appear should be made, and the measures to control and prevent vibrations need to be adopted. In this paper, aiming at Wanjiazhai hydropower station at dam toe, study on the dynamic characteristics of supporting composite construction and other relevant problems with three dimensional finite element method. The main results are as follows：
Comparative study shows that the superstructure has obvious influence on the inherent vibration characteristics of supporting composite construction, and the frequency and the mode of vibration are both changed. Therefore, in accurate study, the superstructure should be considered.
Point out the effects of considering hydraucone and auxiliary plant of tail water on the inherent vibration characteristics of supporting composite construction, and study the problem of choosing the range of the mechanical modal.
Analyze the inherent vibration characteristics of the composite structure of floor and wind tunnel, which is the bottle neck of the supporting composite construction.
Study the vibration source in hydroplant, and resonance checking is given to the supporting composite construction and the composite structure of floor and wind tunnel, then give the corresponding antivibration measures.
Calculate dynamic response of the supporting composite construction in normal condition. The results show that the vertical displacement and the sum of horizontal and torsional displacement both meet the criterion.
In this paper, first evaluate the effects of vibration in hydroplant on people using Meister curve. When evaluating, we should combine dynamic response value and frequency together. The results are consistent with the sense of workers in hydroplant. Valuating the noise in hydroplant with hygienic noise standard of industrial organization is just a reference. Appeal to establishing the standard about controlling noise in hydroplant soon, meanwhile, enhance controlling the noise in hydroplant in order to make the workers healthy.
引文
[1] 本文集编委会编，中国水利水电技术发展与成就，北京：中国电力出版社，1997.9，26—28
[2] 马震岳，沈成能，王溢波等，红石水电站厂房的机组诱发振动及抗振加固研究，水力发电学报，2002，76（1）：28—36
[3] 汪丽川，浅析岩滩电厂厂房振动现象，广西电力技术，1996（1）：26—30
[4] 董毓新，李彦硕，水电站建筑物结构分析，大连：大连理工大学出版社，1995.12，157—159
[5] Zienkiewiez O C Finite element Methods in Engineering Science .Mc Graw—Hill .1971
[6] Cook R D . Concepts and Applications of Finite Element Analysis. John Wiley,1974
[7] Bathe K J and Wilson E L .Numerical Methods in Finite Element Analysis .Prentice Hall Inc.,1976
[8] 王树人，董毓新，水电站建筑物，北京：清华大学出版社，1992.3，182—183
[9] 董毓新，水轮发电机组振动，大连：大连理工大学出版社，1989.5，224—225
[10]刘更，结构动力学有限元程序设计,北京：国防工业出版社，1993.6，15—26
[11]张汝清，殷学纲，董明，计算结构动力学，重庆：重庆大学出版社，1987.7，109—114
[12]Turner M J ,Clough R W, Martin H C ,and Topp L J. Stiffness and deflection analysis of Complex Structure. J Aero Sci., 1956,23：805-811
[13]于波，刘忠贤，水轮机在高水头低负荷工况下振动问题的研究，水力发电学报，2001，72（1）：58—59
[14]何少润，天荒坪电站一号机振动问题初析，水力发电学报，2000，69（2）：100—101
[15]Wilkinson，J，H., The Algebraic Eigenvalue Problem ,Oxford University Press,London,1965
[16]王克海，李耀，杨洪江，丰淮线黄河大桥悬拼过程中动力的分析，太原工业大学学报，1994，25（2）：55—59
[17]范亚菊，小水电站的噪声控制，红水河，1994,13(2)：44—48
[18]（日）伯野元彦主编，李明照等译，土木工程振动手册，中国铁道出版社，1992，558—560
[19]天津大学水利水电建筑工程系，广州抽水蓄能电站二期工程机墩振动问题研究报告，1996.1
[20]Yin Xuegang, Chen Huai , A New Method Calculating Dynamic Characteristic of A Frame, Inc.Conf. on Comput . Meth ,Japan ,1986.
[21]中华人民共和国水利部，水电站厂房设计规范SL266-2001，中国水利水电出版社，2001
[22]徐波，小水电站厂内噪声应予治理，小水电，1990(2)：29-31
[23]何学仁，小型水电站噪音的治理，小水电，1993(4)：29-30
[24][日]户川隼人著，殷荫龙、陈学源译 振动分析的有限元法 北京：地震出版社，1985.5
[25]顾鹏飞，喻远光编，水电站厂房设计，北京：水利水电出版社，1987.7，148—150
[26]骆如蕴，水电站动力设备设计手册，北京：水利水电出版社，1989.2，167—168
[27]舒扬棨，王日宣，水电站厂房振动分析，北京：水利水电出版社，1987.6，17—38
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[29]熊有志，李大成，大型水电站厂房水下结构的三维有限元整体动力分析，水利水电技术，1993（1）：22—27
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[32]董石磷，李元齐，三峡水电站左岸厂房上部网架结构整体分析，空间结构，2000，6（4）：3—10
[33]沈可，张仲卿，水电站厂房楼板振动分析，人民长江，2003，34（1）：52—54
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[37]郝延祜，郭淑英，周维真，白龙滩水电站1号机振动噪声和出力摆动原因分析，红水河，1996，15（3）：43—45
[38]曹剑绵，陈昌林，大型水轮机转轮异常振动及叶片裂纹分析，西南交通大学学报，2002，37（增刊）：68—72
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[40]乐近性，深圳水库电站水轮发电机噪声分析与处理，广东水电科技，1991（2）：37—42
[41]麻荣永，小水电与环境保护，水电站设计，1999，15（3）：34—42
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[43]朱雪媛，建筑噪声控制设计在龙滩地下厂房的应用和探讨，2002，21（2）：18—20
[44]陈力，潘晓勇，周德林，工作场所全身振动的测试与评价研究，工业卫生与职业病，1992，18（3）：150—152
[45]卢士富，关于国际标准ISO2631的认识和修改，西安公路学院学报，1993，13（4）：58—63
[46]王克海，王连海，钢桁梁桥悬拼施工中晃动问题的研究，工程力学，1998，增刊：445—448
[47]裴大雄，赵正洪，高坝洲水电站3号机组振动分析及处理，水力发电，2002，（3）：61—62
[48]乔玲，关于人体承受全身振动评价的方法，铁道劳动安全卫生与环保，1999，26（2）：130—133
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[51]何伯森，庄良松，贯流式机组水电站厂房整体结构动力分析，天津大学学报，1990，（2）：105—113
[52]金钟元，水力机械，北京：水利电力出版社，1986.6，11—15
[53]何成连，由彩堂，董盛等，计算机动态信号检测分析系统应用与实践，水利水电工程设计，2002，21（1）：42—45
[54]Г．И．克里夫琴科主编，常兆堂，周文通，吴培豪译，水电站动力装置中的过渡过程，北京：水利出版社，1981.5，44—46
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