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蜀河水電站水電機組防水鋼蓋板流激振動安全評價研究

文檔作者：席秋義張雙平徐建光周智民文檔來源： 1．國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院 2．陜西漢江投資開發(fā)有限公司蜀河水力發(fā)電廠		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月07日
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第4O卷第3期
2014年3月 水力發(fā)電
蜀河水電站水電機組防水鋼蓋板
流激振動安全評價研究
席秋義 ，張雙平 ，徐建光 ，周智民
(1．國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西西安710054；
2．陜西漢江投資開發(fā)有限公司蜀河水力發(fā)電廠，陜西旬陽725721)
摘要：蜀河水電站機組防水鋼蓋板在表孔過流時受到水流沖激，在動水壓力作用下產(chǎn)生振動。以蜀河水電站1號
機組防水鋼蓋板為研究對象，采用現(xiàn)場檢測試驗和有限元理論計算兩種方法識別了鋼蓋板的自振頻率，對是否發(fā)生
危害較大的共振做出了評價；此外，還對鋼蓋板在表孔泄洪閘門啟閉過程的振動動力響應(yīng)進行了檢測分析，對容易
破壞的部位進行了識別。并指出了防水鋼蓋板將來的安全評價重點。
關(guān)鍵詞：防水鋼蓋板；共振；模態(tài)；有限元；蜀河水電站
Research Oil Safety Evaluation of W aterproof Steel Gate Vibration Caused by Surface
Hole Flow Discharge in Shuhe Hydropower Station
XI Qiuyi ，ZHANG Shuangping ，XU jianguang ，ZHOU Zhimin
(1．State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi"an 710054,Shaanxi，China；
2．State Grid Shuhe Hydropower Plant,Shaanxi Hanjiang River Investment Ltd．，Xunyang 725721，Shaanxi，China)
Abstract：The waterproof steel gates in Shuhe Hydropower Station which flow through surface hole will emerge vibration when the
flood is discharged through surface holes．Taking the waterproof steel gate of No．1 bulb unit as study case，the free vibration
frequency of waterproof steel gate is recognized through two methods of on-site measurement and finite element calculation,and
the possibility of gate resonance is evaluated．The dynamic responses of waterproof steel gate during the opening and closing of
surface hole sluice gates are also measured，and the fragile zones are identified．The future safety evaluation keys of waterproof
steel gates are finally proposed．
Key W ords：waterproof steel gate；resonance；modal；finite element；Shuhe Hydr0Power Station
中圈分類號：TV735 文獻標識碼l：A ． 0 文章編號：0559-9342(20l4)O3—∞ 5 o4
1 工程概況
蜀河水電站位于陜西省旬陽縣境內(nèi)的漢江上游
干流上，壩址在旬陽縣蜀河鎮(zhèn)上游約1 km 處．距旬
陽縣城5l km． 距上游已建的安康水電站約120
km，距下游已建的丹江口水電約200 km， 是漢江上
游梯級開發(fā)規(guī)劃中的第6個梯級電站。蜀河水電站
首臺機組于2009年12月29 日投產(chǎn)發(fā)電。2010年
10月】8日最后一臺機組投產(chǎn)發(fā)電。工程的主要任
務(wù)是發(fā)電，并兼顧航運等。工程規(guī)模為二等大(2)
型，按百年一遇洪水設(shè)計，千年一遇洪水校核，相
應(yīng)洪峰流量分別為30 000 m3／s和38 100 m ／s。壩址
處多年平均流量732 mS／s。正常蓄水位217．30 m，
相應(yīng)水庫庫容1．76億in 。蜀河電站布置有6臺貫流
式機組，單機容量45 MW ，裝機容量270 MW ，保
證出力57．4 Mw ，設(shè)計年平均發(fā)電量9．53億kW ·h，
年利用小時3 530 h。樞紐建筑物從右至左由右副
壩、垂直升船機壩段、泄洪閘、電站廠房壩段(泄
洪表孔)、安裝問及左副壩等組成。引水發(fā)電系統(tǒng)6
臺機共設(shè)置6條引水道，每條引水道由進口開始向
下游分別設(shè)置一道攔污柵， 一道進口檢修閘門、一
道出口事故檢修閘門及兩扇防水鋼閘門。廠房段溢
收稿日期：2013—08—06
作者簡介：席秋義(1978一)，男，山西萬榮人，高級工程師
博士．工作及研究方向為水利水電工程．
Water Power Vo1．40 No．3 固
流面頂部設(shè)置防水鋼閘門(又稱密封鋼蓋板／防水
鋼蓋板， 本文統(tǒng)一為防水鋼蓋板)， 共6孔， 每孑L
設(shè)8 mx7 1TI和11 rex6 m 的閘門各1扇，用于機組
的安裝和檢修。為保證貫流機組運行安全，要求該
密封鋼閘門具有較好的止水性能。為此， 每塊鋼蓋
板設(shè)了2道止水， 第一道止水用于封閉防水鋼蓋板
同過流面之間的間隙， 防止泥沙進入和氣蝕破壞。
第二道止水置于防水鋼蓋板底周框上， 用于封水。
水封的壓縮依靠防水鋼蓋板白重和壓緊螺栓。在防
水鋼蓋板第二道封水面設(shè)置擋水坎和排水管，用于
排出封水面后的滲漏水。防水鋼蓋板按校核洪水位
設(shè)計，設(shè)計水頭按水力模型試驗結(jié)論確定為26．8 in。
防水鋼蓋板在無水狀態(tài)下啟閉， 采用1 600 kN廠
房橋機操作。
蜀河水電站壩址處河谷峽窄， 電站水頭較低且
汛期洪水量大， 燈泡貫流式機組及廠內(nèi)過流設(shè)計是
綜合論證了土建工程量、發(fā)電及泄洪等指標權(quán)衡后
的結(jié)果，這種布置型式在國內(nèi)外很少見。防水鋼蓋
板不同于擋水閘門．它承擔(dān)著表孔過流洪水的直接
沖激作用，密封性能好壞至關(guān)重要，關(guān)系著水電機
組的正常運行． 對于這類鋼蓋板的流激振動安全評
價研究目前尚沒有看到， 本文通過現(xiàn)場檢測試驗及
有限元理論模擬計算手段。研究了蜀河水電站防水
鋼蓋板的流激振動評價方法， 以期為該電站安全穩(wěn)
定運行提供技術(shù)支撐。
2 蜀河水電站廠表孔運行方式
蜀河水電站最初設(shè)計時， 規(guī)定廠房表孔的開啟
泄洪運行原則是在入庫流量小于5 000 H1 ／s時，廠
房泄洪表孔不泄洪． 機組運行發(fā)電： 當(dāng)入庫流量大
于5 000 m3／s時，表孔泄洪， 機組不發(fā)電。后設(shè)計
院又根據(jù)廠頂溢流、停機標準的模型試驗結(jié)果， 調(diào)
整為入庫流量大于8 000 m3／s時， 機組停機， 廠表
孑L開啟。即當(dāng)入庫流量大于8 000 IYI3／S時， 開啟的
表孔底板和防水鋼蓋板要承受過流動水壓力作用，
其他時段受靜水壓力、泥沙壓力或不受外力作用。
3 防水鋼蓋板動態(tài)特性參數(shù)識別
防水鋼蓋板結(jié)構(gòu)的自振頻率、主振型及阻尼等
參數(shù)， 統(tǒng)稱為防水鋼蓋板結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)。動
態(tài)特性參數(shù)是防水鋼蓋板動力分析的重要內(nèi)容之一．
尤其是防水鋼蓋板的自振頻率， 它是防水鋼蓋板產(chǎn)
生共振的條件之一， 要防止防水鋼蓋板出現(xiàn)共振，
消除防水鋼蓋板的振動， 首先要知道其自振頻率
防水鋼蓋板的自振頻率是防水鋼蓋板動態(tài)特性中的
重要數(shù)量指標， 它只與防水鋼蓋板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量(慣
圈Water,~ower Voz．40 No．3
性)和剛度(復(fù)原性)有關(guān)，與外界的干擾因素?zé)o
關(guān)。
本文采用兩種方法研究防水鋼蓋板振動問題：
一種是用試驗的方法求得防水鋼蓋板自由振動的動
態(tài)特性參數(shù)(模態(tài)參數(shù))一自由振動頻率(固有頻
率)、主振型和阻尼， 以及防水鋼蓋板強迫振動響應(yīng)
的動應(yīng)力、振動加速度和振動位移，從而確定防水
鋼蓋板的共振條件、阻尼對振動響應(yīng)的影響、防水
鋼蓋板的減振、防振措施， 以及判斷防水鋼蓋板的
強度、剛度及穩(wěn)定性是否滿足要求等；另一種方法
是用有限元方法對蓋板進行動力分析，用理論計算
結(jié)果來指導(dǎo)防水鋼蓋板的檢測試驗和校核測試試驗
的結(jié)果
3．1 動態(tài)特性參數(shù)檢測試驗
3．1．1 檢測方法
蜀河水電站防水鋼蓋板動態(tài)參數(shù)檢測采用錘擊
激振法?。該法是通過一種脈沖錘敲擊防水鋼蓋板的
某一部位(主振動節(jié)點以外)，從而獲得一個能量足
夠?qū)掝l率范圍的沖擊波。在沖擊波的激勵下。與蓋
板的固有頻率相同或接近的沖擊波響應(yīng)信號就被凸
顯放大出來．而與防水鋼蓋板固有頻率不同或相差
較大的沖擊波響應(yīng)信號就被掩蓋了， 所以防水鋼蓋
板對沖擊波的響應(yīng)曲線的主頻率便是蓋板的一系列
固有頻率。要獲得防水鋼蓋板的系統(tǒng)固有頻率，還
必須將防水鋼蓋板對沖擊波的響應(yīng)信號進行頻譜分
析。
3．1．2 防水鋼蓋板固有頻率識別
定常線性體系的頻響函數(shù)H Of)與其功率譜密
度G (1廠)、G，(f)~-HG ( )之間的關(guān)系為：
I ∽ l 2= Gv(f) (1)
∽ ： =
： (f)： ： l (3)
．
㈩ ’
式中，G (f)、G (廠)分別為輸入x(t)及輸出y (￡)的
自功率譜；Gxv( )為輸入 ( )及輸出l， (t)的互功率
譜。在式(2)中還包含相位差因子(相位角) (Jf)；
T x( )為輸入 ( )及輸出Y ( )的相干(凝聚)函數(shù)。
敲擊法測試防水鋼蓋板的模態(tài)參數(shù)時．如輸入
信號不易測量，且可假定輸入 (t)為一定范圍(如
低頻區(qū))內(nèi)的白噪聲， 則可通過頻譜分析， 得到各
測點輸出的自譜G (f)、互譜幅頻GY Yj(f)圖， 互譜
相位角0 (f)圖和相干(凝聚)函數(shù) (f)圖。然后，
J幣1 ，X．，=云f： uJ／J＼ 巳如，J＼ 巳1=J b糾 ／J＼t 面丘仂“丌L舫 搬￡ (王 TJl’田T
根據(jù)式(1)、(2)和(3)由輸出自譜G (廠)圖來確定防
水鋼蓋板的固有頻 及主振型的相對位A 的相對
大小， 由相干函數(shù)y ( )和互譜相位角 (／)圖來確
定 的方向用互譜幅頻圖G (廠)來校核，便得到其
各階模態(tài)參 、A 。及 亦可用各測點輸出的互
譜圖Gvr( )來識別， 然后用其輸出自譜圖G (廠)來
驗證防水鋼蓋板的各階模態(tài)參 、A 及 。
3．1．3 自振頻率檢測結(jié)果
試驗選取了蜀河水電站1號水輪機防水鋼蓋板
進行固有頻率識別。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用StrainBook／
616 (擴展WBK18模塊)動態(tài)信號采集系統(tǒng)；拾振
加速度傳感器由美國PCB公司生產(chǎn)， 可通過磁座直
接吸附在待測點上。
在1號水輪機防水鋼蓋板共布置了7個振動
測點， 測點主要分布于各梁的中間與上下游對稱
部位。實際測試時， 水輪機蓋板上有下游回水，
因此． 測試條件為有阻尼情況下防水鋼蓋板的自
振頻率。
錘擊測試完成后， 首先對輸出信號進行互譜
圖識別， 再利用輸出自譜圖來驗證該結(jié)構(gòu)帶靜水
壓阻尼時該結(jié)構(gòu)的固有頻率。分析時截取時域圖
中錘擊響應(yīng)的峰值段(截取長度取512)，對其進
行Wehh譜分析， 窗函數(shù)采用hamming窗， 窗長
度取128，Welth各分段長度重疊率取50個樣本
點．FFT變換長度與截取樣本同長。頻譜識別結(jié)
果見表1。
表1 蜀河電廠1號機組水輪機防水鋼蓋板的固有頻率(試驗)
振動測點 固有頻率／Hz
3．2 防水鋼蓋板ANSYS有限元模態(tài)分析
根據(jù)工程振動理論， 建立防水鋼蓋板的振動
微分方程可用牛頓第二定律、拉格朗日動力方程、
慣性方程(動靜法)等方法。對防水鋼蓋板來說，
最簡便的方法是慣性力法。即應(yīng)用達朗伯爾原理，
將防水鋼蓋板各部分的慣性力假想地加在蓋板上，
按靜力平衡的方法來建立振動微分方程。如果假
定防水鋼蓋板為一有限個自由度(n個自由度)
的體系， 蓋板的i點在某一瞬時的振動位移為
(t)， 則根據(jù)上述方法建立防水鋼蓋板的振動微分
方程為：
[ { }+[C]( ( ))+[K】{ ( ))={P(f)} (4)
式中，[MI、[C]、 ]分別為閘門結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、
阻尼矩陣和剛度矩陣， 它們均是n階矩陣；{X(￡)}、
{ (t)}、{(X) )及{P( ))分別為蓋板n階的位移向量
(向量)、速度向量(列陣)、加速度向量(列陣)及
干擾力(動力荷載) 向量(列陣)，它們都是時間t
的函數(shù)。在線性問題中，質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛
度矩陣中的元素都是常數(shù)。
個自由度的蓋板結(jié)構(gòu)體系對應(yīng)有n個自振頻率
，0=1，2，? ，凡)。對于多自由度體系來說，求解
就要歸結(jié)到求解體系的廣義特征值問題， 即求解特
征矩陣方程，其特征矩陣方程為：
2 f』
( 卜 1) } =0 (5)
式中，若令A(yù)，= ： ，A，稱為結(jié)構(gòu)吻階特征值； } 為
階自振頻率對應(yīng)的主振型列陣，稱為特征向量；
嗍、 】分別為質(zhì)量矩陣和岡0度矩陣。
求解防水鋼蓋板結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)問題就
是求解其特征矩陣方程問題，特征矩陣方程是關(guān)于
特征值A(chǔ) = ： 的一元幾次代數(shù)方程， 由此可以解出
防水鋼蓋板結(jié)構(gòu)的n個自振頻率和相應(yīng)的主振型相
對值。
本文采用ANSYS軟件對1號水輪機蓋板進行建
模．模型單元全部為六面體單元，單元總數(shù)38 112
個． 節(jié)點總數(shù)74 394個。對蓋板四周 、l，和Z方
向位移進行約束， 彈性模量206 GPa， 泊松比0．2，
密度7 850 kg／m 。經(jīng)過模擬計算，水輪機防水鋼蓋
板前10階自振頻率如表2所示。限于篇幅，僅列出
了前4階振型， 如圖1所示。
表2 水輪機防水鋼蓋板自振頻率(理論計算
頻率階次 振動頻率／Hz 頻率階次 振動頻率／Hz
l 5O．069 6 112．80
2 64．250 7 124．O1
3 86．921 8 141．91
4 93．884 9 l48_38
5 105．17 10 148．58
由于條件限制，有限元模態(tài)分析所建模型與檢
測試驗防水鋼蓋板狀態(tài)并不一致。從表2和表1
可以看出， 水輪機防水鋼蓋板1階頻率有限元模
型結(jié)果要小于檢測結(jié)果， 這是由于結(jié)構(gòu)有限元建
模中．對防水鋼蓋板四周施加的是三維位移約束，而
實際防水鋼蓋板由于底止水與側(cè)止水的存在， 、y
和Z 3個方向尚能微小移動。防水鋼蓋板試驗時，蓋
板上有下游回水靜壓， 檢測得到的頻率是流固耦
Water Power Vo1．40 No．3 團
一．， 75一 91一扒 l卜～．
合頻率， 這是有限元模型與實測模態(tài)不一致的
另一個原因。有限元模型試驗作為現(xiàn)場試驗的補
充，盡管模擬條件不太一致，但并不影響共振分析
結(jié)果。
3．3 水輪機防水鋼蓋板流激共振分析
作用在防水鋼蓋板上的水流脈動壓力是引起蓋
板振動的主要振源。因此，分析脈動壓力頻譜特性
與蓋板自振頻率之間的關(guān)系有利于判別蓋板是否發(fā)
生共振。在水流脈動壓力激振下， 防水鋼蓋板的自
振頻率是典型的流固耦合問題，而且水體厚度與蓋
板的耦合影響還與廠表閘門開度、下游回水有關(guān)，
特別是蓋板在水中和空氣中的自振頻率有較大差異，
受水體附加質(zhì)量的影響，水中鋼蓋板的自振頻率要
低于空氣中鋼蓋板的自振頻率。
廠表泄洪過程的脈動水壓力檢測未納入本次試
驗，但根據(jù)設(shè)計模型試驗結(jié)果： 所有工況各部位的
脈動水壓力值皆為正值，且壓力值的大小與溢流表
孔的泄量有關(guān)，泄量大，壓力值則大。但水流的脈
動頻率均很小，在0．028～0．1 1 Hz之間嘲。而根據(jù)表
1現(xiàn)場檢測結(jié)果，其一階流固耦合頻率為72．87 Hz，
遠大于脈動水壓力頻率，故可判斷1號機水輪機防
水鋼蓋板在廠表泄洪過程中不會發(fā)生共振。
{ 1
{ 1 b 2階振型 1
c 3階振型d 4階振型
圖1 鋼蓋板自振頻率振型
4 水輪機防水鋼蓋板動力響應(yīng)檢測分析
蜀河水電廠防水鋼蓋板動力荷載主要源于廠
表泄洪閘門開啟和關(guān)閉全過程的脈動水壓力。此
外， 泄洪過程中水中漂浮物的沖擊等也是動力荷
載之一。
動力響應(yīng)試驗工況為1號表孔泄洪鋼閘門從全
關(guān)到全開，再到全關(guān)過程。防水鋼蓋板動力響應(yīng)振
動測點布設(shè)方法同動態(tài)參數(shù)試驗，但點數(shù)略多，采
集儀器與動態(tài)參數(shù)試驗相同。
固Warer Po er Voz．40 No．3
通過對動力響應(yīng)振動加速度傳感器測試結(jié)果進
行分析， 可知1號水輪機組防水蓋板振動加速度約
在35％ 開度達到最大， 除了水中雜物撞擊鋼蓋板引
起的短暫沖擊振動外， 大多數(shù)測點最大振動加速度
均在0．6 g以下，為微小振動，屬于安全范圍。發(fā)電
機防水鋼蓋板振動加速度要大于水輪機防水鋼蓋
板， 這跟發(fā)電機蓋板的位置更靠近泄洪閘門有關(guān)。
從測試結(jié)果看． 發(fā)電機防水鋼蓋板左1梁下游測
點． 中8梁上游測點振動加速度明顯大于其它測點。
這說明防水鋼蓋板這兩個部位所受振動能量較大．
長期使用易產(chǎn)生振動疲勞破壞．應(yīng)予以重視并加強
觀測。
5 結(jié)語
為了識別引水發(fā)電機組鋼蓋板振動的成因和振
動危害性對蓋板密封性、強度、剛度及穩(wěn)定性的影
響． 以便采取一定的措施減緩或消除不利影響，選
取蜀河電站1號機組發(fā)電機和水輪機防水鋼蓋板進
行了研究。采用了現(xiàn)場檢測試驗和有限元理論分析
兩種方法對蜀河水電站水電機組防水鋼蓋板的流激
振動安全進行了評價， 主要著重于鋼蓋板的共振分
析，此外，還對防水鋼蓋板在廠表閘門泄洪過程中
的振動動力響應(yīng)進行了試驗分析評價。從研究結(jié)果
看．蜀河水電廠水電機組防水鋼蓋板設(shè)計合理， 不
會產(chǎn)生共振， 廠房表孑L閘門開啟過程中的沖擊水流
在泄槽內(nèi)水墊的保護下也不會對鋼蓋板產(chǎn)生明顯影
響， 與設(shè)計模型試驗結(jié)果基本一致。長期運行過程
中，對防水鋼蓋板的安全評價應(yīng)注重于密封性、銹
蝕以及蓋板應(yīng)力強度變化等方面。
參考文獻：
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漢：武漢大學(xué)出版社，2008，8．
[2] 孫海濤，劉興華， 曾剛．漢江蜀河水電站廠內(nèi)溢流布置型式關(guān)
鍵技術(shù)問題設(shè)計與研究[J]．西北水電，2012(6)：37—41．
[3] 方勇，譚大基，顧梅．漢江蜀河水電站金屬結(jié)構(gòu)沒計[J J．西北
水電．2010(4)：81—85．
[4] DIdT 835-2003 水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術(shù)規(guī)程[S]．
(責(zé)任編輯高 瑜)

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