刘立平1，黄波2，谢捷敏2
(1.五凌电力有限公司白市水电厂，贵州黔东556605；2.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙410004)
摘 要：某水电厂机组投产以来就存在顶盖垂直振动超标问题，采用仿真计算与现场实测相结合的方式，准确建立顶盖模型并预测顶盖加固后的固有频率，修改完善了制造厂家提出的顶盖加固方案，避免由于顶盖固有频率与流道内水压脉动接近引起的共振风险，确保了顶盖加固方案的成功实施。改造后试验结果表明：顶盖加固后实测固有频率结果与仿真计算预测结果比较接近；加固后顶盖垂直振动明显改善，试验水头下顶盖垂直振动全负荷段满足国标要求。
关键词：顶盖；固有频率；模态试验；仿真计算
顶盖是水电机组的重要部件,其刚强度及可靠性将影响整台机组运行的安全、稳定性。近年来随着水电机组尺寸增大,机组部件刚强度相对减弱,固有频率降低,水轮机的振动问题越来越受关注〔1-3〕。
某水电自2013年4月份3台机组投产以来,各台机组在不同水头下均存在顶盖垂直振动超标问题, 最大达到170 μm(国标限值110 μm)。 为确保机组安全运行,不得不采取避振运行方式。但由于顶盖垂直振动超标负荷范围宽广,造成机组可调空间较小,严重影响调度。为确保机组长期安全运行,决定采用顶盖加固方法进行处理,即采用焊接封堵大筋板开孔的方式对顶盖加固,该加固方案将引起顶盖固有频率变化,可能造成顶盖固有频率与流道内水压脉动频率接近进而引起共振风险,因此有必要对加固后的顶盖固有频率进行准确预判,避免共振风险。
采用有限元分析软件ANSYS软件对顶盖进行建模,顶盖三维模型按照设计图纸几何特征建立,采用带中节点四面体网格划分,共649239个节点,290673个单元。有限元模型如图1所示。
1.2.5.1 诠释执行力:管理者对全科护理人员角色定位,增强责任意识;要强调什么,明确检查什么;其实,很大程度上讲,员工不会做你希望的,但会做你要检查的;不检查等于不重视。
图1 顶盖网格模型
水轮机的顶盖上侧表面需承受导叶及套筒重量、控制环重量、轴承重量、密封重量,并约束顶盖与座环把合位置;下侧表面需承受活动导叶位置内外侧不同的水压;顶盖径向需承受导叶的上轴套支反力和中轴套支反力。载荷示意图如图2所示。
图2 载荷及约束加载示意图
其中单个导叶及套筒重量G1＝38.58 kN,控制环重量G2＝171 kN,轴承重量18.3 kN,导叶上轴套支反力F1＝91 000 kN,导叶中轴套支反力F1＝174 000 kN。各位置水压是通过实测运行工况下的水压力,其中 P1＝55.5 m,P2＝44.4 m,P3＝18.5 m。
载荷加载方式的选择将对固有频率计算结果产生明显的影响。对比安装重物以质点形式加载和以重力形式加载的固有频率计算结果 (见表1),两种加载方式计算结果差异巨大,合理选择载荷加载方式对于顶盖加强后固有频率预判十分重要。
表1 不同载荷加载方式下的顶盖固有频率的计算结果 Hz
阶数 频率安装重物以重力形式加载 安装重物以质点形式加载1 40.2 28.8 2 72.5 56.4 3 120.8 70.8 4 124.4 76.8 5 131.1 78.9
为了判断载荷加载方式的合理性,现场开展了顶盖加固前模态试验,通过现场模态实测结果修正顶盖载荷加载方式。采用宽频激振方法对水轮机顶盖进行模态试验,获取水轮机顶盖的固有频率、振型。模态试验将水轮机顶盖简化为单平面结构。采用移动锤击、固定点采集,对水轮机顶盖进行模态试验,顶盖共12个立筋,沿每个立筋方向 (机组水平径向)设置试验节点5个,总试验结点数为60个 (见图3)。通过测试,获得了顶盖前三阶固有频率和振型 (见图4、表2)。
图3 顶盖模态试验网格
图4 顶盖加固前模态试验结果
表2 顶盖加固前模态试验实测结果
自振阶数 频率/Hz 振型 附图一阶 39.93 轴向振型 图4(a)二阶 60.64 两瓣振型 图4(b)三阶 151.35 四瓣振型 图4(c)
根据现场实际情况,载荷加载应采用质点形式而不能简单用重力形式加载,最终确定加载方案：考虑采用40%的导叶、轴承、控制环、密封质量,重物以质点形式加载。经计算顶盖前两阶频率与实测频率较为接近 (见表3)。
1.若等腰三角形的一边长为6cm，另一边长为9cm，求此等腰三角形的周长。（6cm是腰长还是底边长？）
表3 顶盖加固前最终计算结果与实测结果比较
阶数 实测频率/Hz计算频率/Hz 振型 计算频率相对实测频率偏差/%一阶 39.9 36.3 轴向振型 9.0二阶 60.6 66.5 两瓣振型 9.7三阶 151.35 101 四瓣振型 33.3
通过顶盖模态实测结果修正了顶盖仿真模型,最终确定顶盖仿真模型载荷加载方式为40%的导叶、轴承、控制环、密封质量,重物以质点形式加载,并根据该载荷加载方式计算了顶盖加固后的固有频率 (见表4)。顶盖加固后固有频率避开了机组转频 (1.56 Hz)、导叶过流频率 (37.5 Hz)、转轮叶片频率 (20.3 Hz)、活动导叶卡门涡频率(101.6～104.6 Hz),满足正常运行的要求,同时顶盖加固后顶盖刚度得到提高,可以降低顶盖变形量。
表4 顶盖加固后仿真计算固有频率
阶数 计算频率/Hz 振型一阶 54.5 轴向振型二阶 78.9 两瓣振型三阶 111.7 四瓣振型
电厂结合检修机会采用焊接封堵大筋板开孔的方式对顶盖进行了加固处理,处理后进行了模态试验及顶盖振动测量试验,并以此评价顶盖加固处理效果。
黄立又来电话了。我说黄领导，有何吩咐？黄立说，有个重要的事情要告诉你。我的心一下提到了嗓子眼。黄立说，你们的订单不能发了。我忙问怎么回事？黄立说，今天江老板找我了，说林老板找了他，要求中汕厂立即停止给景花厂订单。我和阿花都吃了一惊，中汕厂现在是景花厂最大的客户，一旦停发了，后果不堪设想。林强信这个王八蛋！阿花气乎乎地说，我要去会会中汕厂的老板。
1)加固后顶盖模态试验。
顶盖加固后重新对顶盖开展了模态试验,获得了顶盖前三阶固有频率,并与仿真计算结果进行了比较。结果表明,顶盖1、2阶频率仿真计算结果与实测结果较为接近。
2)顶盖振动测试。
现场开展了顶盖加固后的稳定性试验,为了保证对比试验有效性,顶盖前后的稳定性试验水头基本一致。试验结果表明,顶盖加强后,顶盖振动存在明显改善,相同工况下顶盖水平振动最大降幅20.8%,顶盖垂直振动最大降幅55.7%,试验水头下,顶盖全负荷段均满足国标要求。加强前后顶盖振动对比如图4所示。
目前，多数铁路工程项目在建设期间都加强了对连续梁桥施工的重视[1]。本文在研究中，主要以某地区铁路工程为主，分析该工程中连续桥梁施工的难点及控制方法。该铁路桥梁连续梁全长284m，主梁为单箱单室箱梁，箱室断面底板厚度可以增加至1.2m，箱底外部宽度为5.8m。该桥为双线桥，线间距为4.5m，设计时速为160km/h。通过对该铁路工程相关信息的掌握，对连续梁桥的施工方案进行了综合设计，并分析其在施工中的难点和具体的施工控制情况。
图4 加强前后顶盖振动对比图
本文通过现场模态实测结果修正仿真计算模型,降低了仿真计算模型与实际情况的差异,并以此指导顶盖加固工作。顶盖加固后测试结果表明,顶盖加固后实测固有频率结果与仿真计算预测结果比较接近,顶盖振动较大问题得到有效改善。
参考文献
〔1〕熊路,钱勤.葛洲坝水轮机组顶盖结构动力分析研究 〔J〕.华中科技大学学报 (城市科学版),2006(S2)：25-26,29.
〔2〕王泉龙.高水头水轮机主要部件振动研究 〔D〕.哈尔滨工程大学,2005.
〔3〕王燕.水轮机顶盖的动态谐响应分析：第十九次中国水电设备学术讨论会论文集 〔C〕.中国水力发电工程学会,2013.
〔4〕叶先磊,史亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例 〔M〕.北京：清华大学出版社,2003.
〔5〕傅志方,华宏星.模态分析理论与应用 〔M〕.上海：上海交通大学出版社,2000.
Treatment and Effect Evaluation of Overcome Vibration of Top Cover of Hydroelectric Unit
LIU Liping1,HUANG Bo2,XIE Jiemin2
(1.Wuling Power Company Limited Baishi Hydropower Plant,Qiandong 556605,China;2.Hunan Xiangdian Test＆Research Insititute Co.,Ltd.,Changsha 410004,China)
Abstract：The vertical vibration of the head cover has exceeded the national standard since the Baishi hydro-power unit was put into operation,and the problem is dealt with by the method of strengthening the head cover in the power plant.The power plant adopted the method of combining simulation and field measurement to build the head cover model accurately,to successfully predict the natural frequency of the head cover after reinforcement,and avoid the resonance risk caused by the close proximity between the natural frequency of the head cover and the water pressure pulsation in the flow passage,which ensures the successful implementation of the head cover reinforcement scheme.The experimental results after the reinforcement showed that the measured natural frequency was close to the predicted one by simulation,and the vertical vibration of the head cover was obviously improved.Under the test water head,the vertical vibration of the head cover meeted the requirements of the national standard within full load section.
Key words：head cover;natural frequency;modal test;simulating calculation
中图分类号：TK730.3
文献标志码：B
文章编号：1008-0198(2019)03-0057-03
doi：10.3969/j.issn.1008-0198.2019.03.014
收稿日期：2019-02-18 改回日期：2019-03-14
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