【摘要】隨著現(xiàn)代水輪發(fā)電機組的容量和尺寸設(shè)計也逐漸增大，轉(zhuǎn)速也相應(yīng)隨之提高，使得某些水電站廠房出現(xiàn)振動過大的現(xiàn)象，這種振動不僅會對機組自身穩(wěn)定性帶來影響，有時還會給水電站的經(jīng)濟運行帶來安全威脅。本文將對水電站廠房振動問題進行研究分析，并提出廠房在設(shè)計中應(yīng)采用的相關(guān)抗振措施。
【關(guān)鍵詞】振動；分析；原因；措施
1. 前言
由于水電機組規(guī)模日益擴大，機組運行產(chǎn)生的激勵荷載也較大，水電站廠房作為機組的支承結(jié)構(gòu)，勢必會受其影響而產(chǎn)生振動，特別是大型混流式水輪機的水力共振，這種共振不僅對自身機組穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，還使廠房產(chǎn)生整體或者局部的振動，并可對人體產(chǎn)生巨大的影響。因此，水電站廠房在設(shè)計時應(yīng)充分考慮到機組振動問題，采取有效措施對抗機組振動，使廠房受到機組振動影響降到最低。
2.水電站廠房結(jié)構(gòu)概況分析
水電站廠房是水電站中裝設(shè)了水輪發(fā)電機、水輪機以及各類輔助設(shè)備的建筑物，又是運行人員進行生產(chǎn)活動的場所，是各種型式水電站中必不可少的建筑物，水輪發(fā)電機以及水輪機的運行工作就是在水電站廠房中進行的。水電站廠房形式和布置等都不一樣，按其結(jié)構(gòu)設(shè)計和布置特點來看，其可分為壩內(nèi)式、地下式、壩后廠房頂溢流式以及地面式等形式，壩內(nèi)式通常設(shè)計于壩體空腔內(nèi)，地下式大部分均設(shè)計于地下洞室內(nèi)，壩后廠房頂溢流式位于溢流壩壩趾，地面式廠房中，從其位置布置特點來看又分為河床式廠房、岸邊式廠房以及壩后式廠房，地下式廠房有時有些會露出地而，但大部分均設(shè)計于地下洞室中。雖然水電站廠房形式不一、規(guī)模大小也各不相同，然而從它生產(chǎn)以及輸送電能的角度來看，水電站廠房樞紐建筑物又可分為四部分，即主廠房、副廠房、主變壓器場和高壓開關(guān)站。主廠房是水電站廠房樞紐的主要部分，發(fā)電機以及輔助設(shè)備均安裝于主廠房內(nèi)，主廠房在高度上又分為數(shù)層，最高層安裝有發(fā)電機，最下層是蝸殼層，中間一層安裝水輪機，人們習(xí)慣將最高層稱為上部結(jié)構(gòu)，中間和最底層稱為下部結(jié)構(gòu)即支承結(jié)構(gòu)，水輪機組荷載直接作用于此結(jié)構(gòu)中。副廠房通常是緊挨著主廠房的，它主要是為主廠房服務(wù)而設(shè)的，相關(guān)的電氣設(shè)備、中央控制設(shè)備以及必要的生活設(shè)施等就布設(shè)于副廠房中。
3.水電站廠房結(jié)構(gòu)振動研究
3.1振動評價標準
�。�1）對儀器設(shè)備造成影響的評價標準。《水電站廠房設(shè)計》提出水電站廠房下部結(jié)構(gòu)機墩的振幅應(yīng)在0.20mm范圍內(nèi)；《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》要求基礎(chǔ)頂面允許的振動在轉(zhuǎn)速低于500r/min時，以振動線位移0.16mm為控制限制[2]。另外，《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》還規(guī)定，當廠房安裝有不大于10Hz的低頻率器時，廠房設(shè)計最好遠離機器的共振區(qū)。《隔振設(shè)計規(guī)范》提出允許振動位移4.8μm時，振動速度應(yīng)為0.50mm/s。《多層廠房樓蓋抗微振設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，允許機床豎向振動為，位移為10μm時，速度為1·0 mm/s。
�。�2）對人體保健的影響。本文主要是對人體浸在振動環(huán)境中的情況對振動進行評價�！度梭w全身振動暴露的舒適性降低界限和評價標準》指出，振動頻率、暴露時間以及振動作用方向都會影響人體的舒適度，使舒適度有所降低；《水利水電工程勞動安全與工業(yè)衛(wèi)生設(shè)計規(guī)范》指出，取振動主頻率為10Hz、且暴露時間8h，人體的疲勞和工作能力在振動垂直向加速度0.4m/S2和水平加速度1.12m/s2時下降到極限；《水力發(fā)電廠機電技術(shù)設(shè)計規(guī)范》要求發(fā)電站廠房工作區(qū)域的標準噪音為，通信室和中控室最大65 dB-A，發(fā)電機層工作場所最大80 dB-A；《水利水電工程勞動安全與工業(yè)衛(wèi)生設(shè)計規(guī)范》規(guī)定相關(guān)場所噪音限制值是，機組段內(nèi)外的中控室分別為60 dB-A和70 dB-A，主機間各層為80 dB-A。
�。�3）不同地域不同環(huán)境，水電站廠房等各方面設(shè)計也不一樣，振動限值的提出要充分考慮到受振種類、振動頻率等方面的因素，根據(jù)我國水電站廠房設(shè)計的特點，提出以下建議值（表1所示）。
表1 水電站主廠房振動控制標準建議值
3.2水電站廠方結(jié)構(gòu)振動原因分析
（1）水輪機組動荷載相對增大。大型水輪機由于流量大、容易受到干擾的原因，其壓力相對于中小型機組要大得多。大型水輪機組用以承受壓力動脈部件的面積越大，其產(chǎn)生的動荷載也隨之變大。因此，當大型水輪機組的壓力動脈幅值相同時，其動荷載也必然會變大。
�。�2）振動體固有頻率降低，而共振可能性增大。水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速屬于十低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，其各種激發(fā)力的頻率都比較低。大型水輪機組振動部件的固有頻率也相對較低，易十被低頻激振力激發(fā)時，則會產(chǎn)生共振，共振體可以是水體也可以使固體。如普遍存在于水電站發(fā)電過程中的引水管路水體共振情況，其可能會引起個別發(fā)電機組在停機過程中產(chǎn)生劇烈的振動現(xiàn)象。
（3）振動體剛度相對降低。在保持靜應(yīng)力和幾何相似相等的情況下，機組部件及廠房結(jié)構(gòu)的剛度會隨著其線性尺寸的增大而減小。所以，可以定性的說，中小型機組的的支持部件及轉(zhuǎn)輪葉片的剛度要比大型機組高。在相同的激振荷載下，大型機組的振動相對于中、小型機組大很多。此外，還應(yīng)注意到，單純以強度作為設(shè)計的目標、簡單的幾何放大，且不采取有效的預(yù)防措施，可能是致使某些大型水力機組穩(wěn)定性不好的根本原因。
4. 水電站廠房抗振設(shè)計研究
�。�1）振動傳遞途徑的優(yōu)化。水輪機組振動的傳遞主要是通過兩個方面進行傳遞的，一是通過風(fēng)罩傳到電機層樓板上，另一種是通過蝸殼頂板上的立柱往上方向傳遞。因此，想要廠房結(jié)構(gòu)的振動有所降低，那么首先就要切斷或延長水輪機組振動的傳遞途徑 。由于廠房剛度、強度以及抗振的需要，大、中型水電站的風(fēng)罩的設(shè)計要求是，不采用有利于垂直抗振的設(shè)彈性墊層簡支的連接方式，而應(yīng)使風(fēng)罩整體連接發(fā)電機層樓板。電機層樓板下的立柱可以增強樓板的剛度，但在蝸殼頂板上一般要盡量避免布置，因此，對于立柱的設(shè)置問題要進行充分的考慮。對于水電站廠房的構(gòu)架柱，則應(yīng)將力直接傳到廠房一期混凝土上，同時不宜設(shè)計在尾水管的頂板上，最合適的方式是恰好落在尾水管的分流墩上。
�。�2）鋼蝸殼外圍混凝土澆筑方式的選擇。為提高水輪機組的基礎(chǔ)剛性，應(yīng)采用“充水保壓”蝸殼外圍混凝澆筑方式進行澆筑，我國三峽水電站就是采用了這一方式。其原理是，鋼蝸殼外圍二期混凝土的建立采用了彈性墊層方案，蝸殼外圍不能有效的嵌固蝸殼中可能存在的水壓脈動，如果采用“充水保壓”的澆筑方式，有利于鋼蝸殼與其外圍鋼筋混凝土緊密接合而成為一個整體，從而使外圍混凝土有效嵌固座環(huán)和蝸殼，提高水輪發(fā)電機機組運行時的穩(wěn)定性。
�。�3）廠房結(jié)構(gòu)布置通常水電站廠房的上、下游邊墻適宜采用實體墻結(jié)構(gòu)進行建造，且應(yīng)和發(fā)電機層的樓板固結(jié)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土肋形樓蓋應(yīng)用于發(fā)電機層樓板的建造。對于根據(jù)相關(guān)參數(shù)計算得出可能較容易發(fā)生較大振動的部位，應(yīng)對其加大板厚，而后在其板內(nèi)連續(xù)配筋。此外，在發(fā)電機層樓板上不應(yīng)鑿設(shè)過多的用于通風(fēng)等的孔口，預(yù)防割裂發(fā)電機層樓板的整體性，如三峽水電站只設(shè)有2個孔口，其樓梯孔轉(zhuǎn)移設(shè)在副廠房中，這樣的設(shè)計可以使得發(fā)電機層樓板整體性增強，且廠房的上、下游邊墻采用的是實體墻結(jié)構(gòu)設(shè)計，使三峽最大動荷載超出平常其他中小型水電站一倍時，其振幅與中小型水電站相比卻剛剛持平。
5.結(jié)束語
隨著我國經(jīng)濟和科技的飛速發(fā)展，工廠、企業(yè)以及人民用電的需求量也隨之增大，使得水電站的建設(shè)規(guī)模越來越大，促使了大型水輪發(fā)動機的普遍使用，這就勢必給廠房造成更大的振動問題，為減少振動對人體、儀器設(shè)備以及廠房結(jié)構(gòu)的影響，廠房在設(shè)計時應(yīng)充分考慮到振動的問題。
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