CN107506532A - 一种泵站厂房结构振动控制方法 - Google Patents

一种泵站厂房结构振动控制方法 Download PDF

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章魏
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Abstract

本发明公开了一种泵站厂房结构振动控制方法,所述泵站厂房结构振动控制方法通过修改结构断面尺寸和增加配重,调整结构体系的优势自振频率,使结构体系错开远离外荷载激励的优势频率,达到振动控制;厂房结构通过结构动力优化设计,错开结构主要自振优势频率与机组暂态过程的脉动优势频率,达到削减或控制结构振动峰值。本发明提供的泵站厂房结构振动控制方法,将厂房结构的振动问题视为在外部随机振源作用下的强迫振动问题,则根据结构动力的基本理论和方法,削减或抑制结构振动的最基本原则就是调整控制结构的动力特性,使其优势自振频率在频谱上尽可能远离荷载的优势激振频率。

Description

一种泵站厂房结构振动控制方法
技术领域
本发明属于水利工程技术领域,尤其涉及一种泵站厂房结构振动控制方法。
背景技术
干河泵站属于大型泵站,从水力系统到厂房结构动力设计均尚无国家规程、规范或标准可依,若参照我国已投入运行的抽水蓄能电站的运行情况,其机组或厂房结构在机组工况变迁的过程中,均不同程度的存在振动问题。
特别是对于抽水蓄能电站和变频调速运行的泵站,由于其具有高转速、大容量、高水头、频繁变换泵组转速等特点,泵组和厂房振动问题更为突出,振动不仅会使降低泵组的效率,缩短泵组检修周期和使用寿命,甚至会引起整个厂房结构和引水管道的振动而被迫停机。水泵在某些运行工况下普遍出现了振动不稳定现象,进而加剧了厂房结构的振动。本泵站泵组转速高、轴系长、运行工况复杂,为预测和评价水泵在不同运行工况对厂房结构可能带来的安全隐患和不稳定因素,避免厂房结构在工况变迁过程中发生超常规振动,需要对泵站厂房结构进行基于水机电耦联的诱振机制及减振控制的技术研究。
综上所述,现有技术存在的问题是:不能对水泵在某些运行工况下出现的振动不稳定现象不能进行控制,进而较少对厂房结构的振动。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种泵站厂房结构振动控制方法。
本发明是这样实现的,一种泵站厂房结构振动控制方法,所述泵站厂房结构振动控制方法包括:
所述泵站厂房结构振动控制方法通过修改结构断面尺寸和增加配重,调整结构体系的优势自振频率,使结构体系错开远离外荷载激励的优势频率,达到振动控制;
厂房结构通过结构动力优化设计,错开结构主要自振优势频率与机组暂态过程的脉动优势频率,达到削减或控制结构振动峰值。
进一步,泵站厂房结构振动控制方法具体包括以下步骤:
(1)利用有限元分析软件,对泵站地下厂房包含楼板、梁柱等混凝土结构、金属蜗壳和座环、蜗壳外围混凝土及机墩等大体积混凝土等建立模型,针对泵站厂房水力、机械可能振源,对可能出现的机组旋转部分偏心引起的振动、转动部分与固定部分碰撞引起的振动、轴承间隙过大,主轴过细引起的振动、主轴法兰推力轴承安装不良,轴曲引起的振动、压力脉动等15种振源形式进行分析及频率预测;
(2)结构动力特性分析,以《水电站厂房设计规范》为依据,根据上面得到的引起机组和厂房结构振动的各种振源的激振频率,对照厂房结构的自振频率,以厂房结构自振频率和振源激振频率的错开度应大于20%~30%为标准预测可能的结构共振区域;
(3)通过谐波分析法,即将激励荷载分解为多谐波分量组成谐振荷载,通过扫频的方式在涵盖各种可能振源的频率范围内依次计算完成分析,根据制造厂家提供的分别施加在机组定子基础和下机架基础的动荷载值,假定由蜗壳内部水流不均匀引起的流道内的脉动压力为均匀分布、同幅值、同频率和同相位的这种最不利情况下的简谐荷载,按压力脉动幅值为正常运行工况水头的5%、15%、20%、30%、65.6%这5个工况计算作用在蜗壳内壁上,找出结构响应最大的激励分量对应的频率成分。计算确定结构在不同频率范围的可能最大振幅值。
(4)由于目前我国针对泵站厂房结构尚无专门的振动控制标准可循,本泵站地下厂房振动控制标准按参考对建筑结构、动力机械基础及人体健康劳动保护等的相关振动控制标准,结合地下厂房的结构特点、运行环境和设计提出本工程计算控制标准值(见表1),将计算值与标准值进行对比以错开结构主要自振优势频率与机组暂态过程的脉动优势频率,若不满足时调整结构体系的优势自振频率和结构修改动力特性;
(5)模态叠加法校核结构振动,直至振动控制量满足要求为止。
本发明提供的泵站厂房结构振动控制方法,将厂房结构的振动问题视为在外部随机振源作用下的强迫振动问题,则根据结构动力的基本理论和方法,削减或抑制结构振动的最基本原则就是调整控制结构的动力特性,使其优势自振频率在频谱上尽可能远离荷载的优势激振频率。泵站运行水头变幅大,运行工况多变,且水泵特性从零流量扬程至最高扬程的启动过程中,需经历2个“S”型的过渡域。为避免由于工况变迁产生的水力暂态诱发泵站厂房结构的超常振动,因此结构动力设计首次提出并使用了“错频”设计技术,即通过不断修改结构主要部件的设计(例如断面尺寸、增加配重等),调整结构体系的优势自振频率,使其错开远离外荷载激励的优势频率,从而达到振动控制的目的。创新性的提出了复杂厂房结构的“错频减振“控制技术,即通过结构动力优化设计,错开结构主要自振优势频率与机组暂态过程的脉动优势频率,从而达到削减或控制结构振动峰值的目的。
附图说明
图1是本发明实施例提供的泵站厂房结构振动控制方法流程示意图;
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的泵站厂房结构振动控制方法,所述泵站厂房结构振动控制方法通过修改结构断面尺寸和增加配重,调整结构体系的优势自振频率,使结构体系错开远离外荷载激励的优势频率,达到振动控制;
厂房结构通过结构动力优化设计,错开结构主要自振优势频率与机组暂态过程的脉动优势频率,达到削减或控制结构振动峰值。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示,本发明实施例提供的泵站厂房结构振动控制方法包括:
S101:可能振源分析及频率预测;
S102:结构动力特性分析,预测可能的结构共振区域;
S103:通过谐波分析法,计算确定结构在不同频率范围的可能最大振幅;
S104:结构修改,调整结构的动力特性;
S105:模态叠加法校核结构振动,直至振动控制量满足要求为止。
通过开发的程序代码,依次“修改-迭代-修改”,直至结构任何部位的最大振位移、振动速度、振动加速度等满足设计要求。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
(1)厂房振动优化控制计算工况
计算工况分为6种工况,定义为:
工况1:
水力激振(蜗壳脉动水压力脉动幅值以正常运行工况水头的5%计算,频率105.1Hz)作用下的厂房振动反应分析。
工况2:
水力激振(蜗壳脉动水压力脉动幅值以正常运行工况水头的15%计算,频率105.1Hz)作用下的厂房振动反应分析。
工况3:
水力激振(蜗壳脉动水压力脉动幅值以正常运行工况水头的20%计算,频率105.1Hz)作用下的厂房振动反应分析。
工况4:
水力激振(蜗壳脉动水压力脉动幅值以正常运行工况水头的30%计算,频率2.7Hz)作用下的厂房振动反应分析。
工况5:
水力激振(蜗壳脉动水压力脉动幅值以正常运行工况水头的65.6%计算,频率2.7Hz)作用下的厂房振动反应分析。
工况6:
机组正常运行工况,机组正常转速频率10Hz对应的机组动荷载作用下厂房动力响应分析。
本泵站地下厂房振动控制标准按参考对建筑结构、动力机械基础及人体健康劳动保护等的相关振动控制标准,结合地下厂房的结构特点、运行环境和设计提出本工程计算控制标准值(见表1)
表1泵站主厂房振动控制建议值
(2)厂房振动优化控制结果
从计算结果可知:
1)工况1、工况2、工况3以及工况6楼板的振动位移主要以竖向为主,竖向最大、纵向次之,横向最小。横向主要受厂房上、下游基岩法向约束,因此动位移相对较小。竖向最大动位移约为0.0662mm,出现在机械荷载正常转速工况下电机层楼板Y轴正方向楼板边沿处,脉动水压力工况1、工况2、工况3出现在第三象限吊物孔边沿处,其值分别为0.0410mm、0.0120mm、0.0162mm。
工况4、工况5竖向位移较小。横向位移最大,最大动位移分别为0.0078mm、0.0163mm,均出现在X轴正方向水泵安装孔边缘。
2)工况1、工况2、工况3以及工况6楼板的振动速度和加速度均是竖向最大、纵向次之,横向最小。各工况下最大速度峰值分别为2.6811mm/s、7.9244mm/s、10.6979mm/s、4.1595mm/s,其均方根最大值分别为1.8958mm/s、5.6034mm/s、7.5645mm/s、2.9412mm/s。均方根加速度最大值为1.2519m/s2、3.7003m/s2、4.9953m/s2、0.1848m/s2均表现为电机层楼板竖向振动速度和加速度。
工况4、工况5楼板的振动速度和加速度是横向最大、纵向次之,竖向最小。最大速度峰值分别为0.1320mm/s、0.2765mm/s,其均方根最大值分别为0.0933mm/s、0.1955mm/s,均方根加速度最大值为0.0016m/s2、0.0033m/s2均表现为水泵层楼板横向振动速度和加速度;
3)工况1、工况2、工况3各层楼板各向最大位移出现位置均相同。电机层楼板、中间层楼板横向最大位移均出现在第一象限与1号机组楼板交接处,纵向最大位移均出现在Y轴负方向楼梯井边缘,其竖向最大位移分别出现在第三象限吊物孔下边缘和第三象限楼梯井左边缘;水泵层楼板横向最大位移出现在第一象限楼板与机墩交接处,纵向最大位移出现在第三象限厂房分缝边缘;
4)工况4、工况5各层楼板各向最大位移出现位置均相同。电机层横向最大位移出现在X轴负方向楼板与机墩交接处,纵向最大位移均出现在第三象限楼板与机墩交接处,竖向最大位移出现在吊物孔右边缘;中间层横向最大位移出现在Y轴负方向楼板与机墩交接处,纵向最大位移出现在第三象限楼梯井左边缘,竖向最大位移出现在第三象限楼梯井上边缘;水泵层横向最大位移出现在X轴负方向楼板与机墩交接处,纵向最大位移出现在第三象限厂房分缝端边缘,最大竖向位移出现在第四象限水泵安装孔边缘;
5)工况6,电机层楼板横向最大位移出现在X轴负方向吊物孔最边缘,纵向最大位移出现在第三象限吊物孔下边缘,竖向最大位移出现在第一象限楼板上边缘;中间层楼板横向最大位移出现在X轴负方向吊物孔右边缘,纵向最大位移出现在第一象限楼板上边缘,竖向最大位移出现在第一象限楼板上边缘;水泵层横向最大位移出现在第三象限吊物孔右边角,纵向最大位移出现在第三象限楼板下边缘,竖向最大位移出现在第三象限吊物孔下边缘;
6)各工况的各楼板的横向、纵向以及竖向动位移均小于规范规定的建筑物结构振动允许标准0.1mm。对各楼板各方向上的均方根速度、加速度进行振动评价(速度、加速度的控制标准一般为均方根值),工况2和工况3的电机层楼板竖向均方根速度(其值5.6034mm/s、7.5645mm/s)、竖向均方根加速度(其值3.7003m/s2、4.9953m/s2),中间层楼板竖向均方根速度(其值5.1831mm/s、7.0042mm/s)、竖向均方根加速度(其值3.4227m/s2、4.6253m/s2)超过冶金部标准规定的操作人员健康控制标准速度3.2mm/s和加速度1.322m/s2,说明在工况2和工况3下,在电机层楼板和中间层楼板上持续工作满8小时会使人感觉舒适性降低。在工况1、工况4、工况5和工况6下,对各楼板各方向上的均方根速度、加速度进行振动评价,均小于各规范规定的操作人员健康控制标准,说明在各层楼板上持续工作满8小时不会使人感觉舒适性降低;
7)工况1、工况4、工况5以及工况6,机墩结构各典型部位如下机基础、定子基础,各向的振动反应均小于各规范规定的建筑物结构振动允许标准0.1mm及作为机器基础进行振动评价,均小于国标GB 50040《动力机器基础设计规范》规定的结构振动允许标准0.16mm。均方根速度、加速度也小于各规范规定的建筑物结构振动允许标准5mm/s、1.0m/s2
8)工况2、工况3,机墩结构各典型部位如下机基础、定子基础,各方向的振动反应均小于各规范规定的建筑物结构振动允许标准0.1mm及作为机器基础进行振动评价,均小于国标GB 50040《动力机器基础设计规范》规定的结构振动允许标准0.16mm。工况2、工况3各向均方根速度均小于各规范规定的建筑物结构振动允许标准5mm/s。工况2的水平向均方根加速度和工况3的水平向及竖向均方根加速度略大于规范规定的建筑物结构振动允许标准1.0m/s2,但均远小于损坏开始发生值10m/s2
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种泵站厂房结构振动控制方法,其特征在于,所述泵站厂房结构振动控制方法通过修改结构断面尺寸和增加配重,调整结构体系的优势自振频率,使结构体系错开远离外荷载激励的优势频率,达到振动控制;
厂房结构通过结构动力优化设计,错开结构主要自振优势频率与机组暂态过程的脉动优势频率,达到削减或控制结构振动峰值。
2.如权利要求1所述的泵站厂房结构振动控制方法,其特征在于,所述泵站厂房结构振动控制方法具体包括以下步骤:
(1)可能振源分析及频率预测;
(2)结构动力特性分析,预测可能的结构共振区域;
(3)通过谐波分析法,计算确定结构在不同频率范围的可能最大振幅;
(4)结构修改,调整结构的动力特性;
(5)模态叠加法校核结构振动,直至振动控制量满足要求为止。
3.如权利要求2所述的泵站厂房结构振动控制方法,其特征在于,所述可能振源分析及频率预测具体包括以下步骤:
利用有限元分析软件,对泵站地下厂房混凝土结构、金属蜗壳和座环、蜗壳外围混凝土及机墩等大体积混凝土等建立模型,针对泵站厂房水力、机械可能振源,对可能出现的机组旋转部分偏心引起的振动、转动部分与固定部分碰撞引起的振动、轴承间隙过大,主轴过细引起的振动、主轴法兰推力轴承安装不良,轴曲引起的振动、压力脉动等15种振源形式进行分析及频率预测。
4.如权利要求2所述的泵站厂房结构振动控制方法,其特征在于,所述结构动力特性分析具体包括以下步骤:以《水电站厂房设计规范》为依据,根据上面得到的引起机组和厂房结构振动的各种振源的激振频率,对照厂房结构的自振频率,以厂房结构自振频率和振源激振频率的错开度应大于20%~30%为标准预测可能的结构共振区域。
5.如权利要求2所述的泵站厂房结构振动控制方法,其特征在于,(3)通过谐波分析法,所述计算确定结构在不同频率范围的可能最大振幅值包括:
将激励荷载分解为多谐波分量组成谐振荷载,通过扫频的方式在涵盖各种可能振源的频率范围内依次计算完成分析,根据制造厂家提供的分别施加在机组定子基础和下机架基础的动荷载值,假定由蜗壳内部水流不均匀引起的流道内的脉动压力为均匀分布、同幅值、同频率和同相位的这种最不利情况下的简谐荷载,按压力脉动幅值为正常运行工况水头的5%、15%、20%、30%、65.6%这5个工况计算作用在蜗壳内壁上,找出结构响应最大的激励分量对应的频率成分。
6.如权利要求2所述的泵站厂房结构振动控制方法,其特征在于,所述结构修改,调整结构的动力特性包括:
泵站地下厂房振动控制标准按参考对建筑结构、动力机械基础及人体健康劳动保护等的相关振动控制标准,结合地下厂房的结构特点、运行环境和设计提出工程计算控制标准值,将计算值与标准值进行对比以错开结构主要自振优势频率与机组暂态过程的脉动优势频率,若不满足时调整结构体系的优势自振频率和结构修改动力特性。
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