羅明清，曹志先，吳玉江

(1.中國(guó)電建集團(tuán)海外投資有限公司，北京，100048；2.武漢大學(xué)，武漢，430072)

0 引言

振動(dòng)是影響電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要問(wèn)題之一，主要表現(xiàn)在極小擾動(dòng)就可能引起電站水力系統(tǒng)中任何部位產(chǎn)生很大的壓力振蕩，引起結(jié)構(gòu)劇烈振動(dòng)、壓力鋼管爆裂、引水隧洞局部破壞等事故。其主要原因有兩類：一類是系統(tǒng)本身不穩(wěn)定，受到擾動(dòng)后，擾動(dòng)會(huì)隨時(shí)間逐漸增強(qiáng)而不是衰減，并且導(dǎo)致劇烈的壓力和流量振蕩，即為自激振動(dòng)；二是擾動(dòng)頻率與水力系統(tǒng)的自振頻率一致或接近，即為水力共振[1]。目前關(guān)于振動(dòng)現(xiàn)象的研究主要以基于ANSYS的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模擬分析為主，原型數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和模型試驗(yàn)為輔。南歐江五級(jí)電站沖砂底孔出現(xiàn)的振動(dòng)和異響，涉及泄流動(dòng)邊界流道與閘門面板耦合，需針對(duì)性開展振動(dòng)機(jī)理和減振技術(shù)研究。

1 概況

1.1 工程概況

南歐江五級(jí)水電站位于老撾豐沙里省，裝機(jī)容量240MW，采用混凝土重力壩，最大壩高74m，工程于2015年底首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2016年底投產(chǎn)發(fā)電。壩段分為左岸非溢流壩段、進(jìn)水口壩段、沖砂底孔壩段、溢流壩段與右岸非溢流壩段。沖砂底孔壩段采用單孔“龍?zhí)ь^”，主要包括底孔、泄槽和挑流坎，孔口尺寸4.0m×5.0m，設(shè)計(jì)流量481m3/s，壩段剖面如圖1。

圖1 沖砂底孔壩段剖面

1.2 問(wèn)題簡(jiǎn)介

2016年9月，電站沖砂底孔首次開閘沖砂，閘門開度在1.2m及以上時(shí)，閘室、主廠房及壩頂強(qiáng)烈震感及出現(xiàn)規(guī)律性的錘擊聲。隨后流道檢查發(fā)現(xiàn)沖砂底孔流道光滑、完整，但泄槽兩側(cè)抗沖磨混凝土墻角出現(xiàn)對(duì)稱破壞，下部墻面已經(jīng)被掏空，結(jié)構(gòu)鋼筋外露，顯現(xiàn)槽狀深坑，底板部分也有不同深度的破壞。為保證沖砂底孔安全有效運(yùn)行，亟待深入研究其振動(dòng)機(jī)理并提出科學(xué)有效的解決方案。

2 一維理論分析

采用水力阻抗法和傳遞矩陣法建立水力振動(dòng)分析數(shù)學(xué)模型，并考慮水擊波波速、閘門開度、壩前水位、漂浮物厚度等多種影響因子，計(jì)算27個(gè)工況下各階自由振動(dòng)頻率及其振型。鑒于沖砂底孔各階衰減因子均為負(fù)值且水擊波的擾動(dòng)頻率均明顯小于沖砂底孔第一階自振頻率，基本排除了系統(tǒng)發(fā)生自激振動(dòng)以及水擊波引起水力共振的可能性。

利用一維水擊方程組對(duì)沖砂底孔水流進(jìn)行模擬表明：現(xiàn)行的閘門啟閉方式及壩前水位條件基本不會(huì)導(dǎo)致沖砂底孔內(nèi)出現(xiàn)明顯水擊現(xiàn)象，不會(huì)影響沖砂底孔正常運(yùn)行。

利用流動(dòng)不穩(wěn)定性理論分析表明：進(jìn)、出口擾動(dòng)源的周期和相位，對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性存在較大的影響。沖砂底孔進(jìn)、出口擾動(dòng)頻率為12Hz左右的擾動(dòng)可能導(dǎo)致壓力放大，但該頻率與沖砂底孔首次開啟運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場(chǎng)感知的振動(dòng)頻率(1Hz～2Hz)相距甚遠(yuǎn)，初步判斷底孔振動(dòng)不是由進(jìn)、出口擾動(dòng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng)。

3 三維數(shù)值模擬

鑒于一維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型具有理論上的局限性，不足以充分精細(xì)地揭示沖砂底孔振動(dòng)機(jī)理，需進(jìn)一步開展三維數(shù)值模擬。基于CFD(計(jì)算流體力學(xué)方法)進(jìn)行氣液兩相流模擬，再現(xiàn)實(shí)時(shí)泄洪流場(chǎng)；基于FEM(結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法)分析弧形閘門及沖砂底孔壩段結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性；基于FSI(流固耦合技術(shù))開展底孔流道與閘門動(dòng)邊界耦合計(jì)算。

3.1 流場(chǎng)特性精細(xì)模擬

3.1.1 宏觀流態(tài)分析

采用三維CATIA建模軟件，建立沖砂底孔立體模型，分別用Flow 3D和Fluent軟件計(jì)算不同上游水位-弧形閘門開度的泄流情況，泄流量均隨著閘門開度和上游水位的增大而增大，計(jì)算結(jié)果基本吻合。對(duì)各種水位、各個(gè)開度下的數(shù)十個(gè)工況模擬，揭示流態(tài)、壓力、壓力脈動(dòng)的分布和變化規(guī)律：各個(gè)水位下流態(tài)特性相似；開度越大，水位越高，壓力脈動(dòng)越大；閘門后流速分層明顯，跌坎后水面形成強(qiáng)烈翻滾旋渦(如圖2)；泄槽跌坎后形成較明顯的空化渦，空化渦形態(tài)隨開度變大而變大，全開時(shí)閘門底緣也出現(xiàn)接近-10m水頭空化渦(如圖3)。

圖2 閘門宏觀流態(tài)

圖3 跌坎宏觀流態(tài)

3.1.2 壓力脈動(dòng)分析

典型工況選取上游439m水位，閘門2.0m開度，開展壓力脈動(dòng)分析，壓力振動(dòng)幅值沿程分布(圖4)表明：跌坎附近，脈動(dòng)幅值逐漸增大；沿閘門弧面，壓力脈動(dòng)幅值先增大后減?。坏卓琢鞯纼?nèi)，沿程測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值逐漸增大?？傮w而言，從底孔進(jìn)口到閘門斷面逐漸增大，而閘門斷面后略有減小，跌坎后達(dá)到最大。初步判斷可能的振源位置是跌坎后空化渦發(fā)生部位以及閘門底緣流道。

(a)跌坎附近脈動(dòng)幅值

3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及振動(dòng)機(jī)理分析

通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析得知閘門自振頻率為1.79Hz，底孔壩段固有頻率為2.94Hz，干濕模態(tài)分析相同，水壓對(duì)自振頻率影響不大，而底孔內(nèi)流體脈動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻域約為1Hz～2Hz，閘門自振頻率與振頻相吻合。

典型工況沿程優(yōu)勢(shì)脈動(dòng)幅值遞變規(guī)律(圖5)表明：底孔流道內(nèi)有兩個(gè)相關(guān)振源，分別位于跌坎位置34#測(cè)點(diǎn)附近以及閘門底緣流道16#測(cè)點(diǎn)附近，即流態(tài)敏感區(qū)位于泄槽跌坎附近和閘門出口底緣流道中，且泄槽跌坎部位容易形成空化渦，空化渦生成及潰滅過(guò)程伴隨著劇烈的壓力脈動(dòng)，對(duì)壓力脈動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，脈動(dòng)幅值較大的頻域基本都集中在0.4Hz～3.0Hz之間。

圖5 沿程優(yōu)勢(shì)脈動(dòng)幅值遞變規(guī)律

由表1可知，所有的振動(dòng)頻率都接近一個(gè)范圍，說(shuō)明振動(dòng)特性具有某種耦合關(guān)系?？栈瘻u振動(dòng)通過(guò)閘后水舌傳向上游閘門斷面，進(jìn)而引起底孔出流邊界波動(dòng)，導(dǎo)致底孔振動(dòng)。開度較小時(shí)水舌薄，空化渦振動(dòng)向上傳播的波受水面反射衰減快，對(duì)底孔的影響??；開度變大后，水舌加厚，振動(dòng)波傳播強(qiáng)，對(duì)底孔振動(dòng)影響大，這正是開度大時(shí)振動(dòng)明顯的原因。

表1 頻率分析匯總 (單位：Hz)

3.3 流固耦合計(jì)算

網(wǎng)格劃分利用Workbench內(nèi)嵌的Fluent Mesh，流固耦合網(wǎng)格分為流體計(jì)算域和閘門面板結(jié)構(gòu)。底孔流態(tài)與閘門結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)(見(jiàn)圖6)如下：

(a)流速與閘門結(jié)構(gòu)總位移

(1)底孔流場(chǎng)云圖與CFD計(jì)算分析相似,最大流速位于水舌主流區(qū)，流量誤差2.3%；

(2)最大位移在閘門底部，為2.84cm；

(3)最大等效主應(yīng)力為266MPa，在閘門上緣，上游面為拉力，下游面為壓力，主應(yīng)變與此保持一致。

通過(guò)流固耦合分析與水動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)低頻域范圍內(nèi)，流體脈動(dòng)幅值最大值均指向泄槽跌坎后測(cè)點(diǎn)，與跌坎空化渦發(fā)生位置比較符合，與之前分析得到的振源規(guī)律一致，即由于跌坎后通氣不良，導(dǎo)致跌坎后產(chǎn)生空化渦振動(dòng)，此振動(dòng)離工作閘門較近，容易傳播至閘門，導(dǎo)致閘門出流邊界波動(dòng)，進(jìn)而引起底孔振動(dòng)，且流固耦合計(jì)算的振動(dòng)幅值相對(duì)要大，表示閘門動(dòng)邊界對(duì)水流脈動(dòng)影響與跌坎空化渦振動(dòng)耦合效應(yīng)明顯。

耦合場(chǎng)壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)分布

3.4 工程措施

結(jié)合工程實(shí)際及類似工程經(jīng)驗(yàn)，比較側(cè)壁開孔、跌坎后移、側(cè)壁開通氣槽、側(cè)壁束窄、開槽與束窄結(jié)合等方案，其中側(cè)壁開孔和跌坎后移方案無(wú)橫向空氣渦出現(xiàn)。據(jù)此細(xì)化為4種方案，分別是：跌坎后移13m、跌坎后移13m并2孔通氣、跌坎后移13m并6孔通氣、跌坎平順過(guò)渡方案。跌坎后移方案跌坎部位仍存在空化渦，其他方案各典型頻率下，測(cè)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)振幅值均大幅減小，減振效果對(duì)比如下(表2)。為避免跌坎平順過(guò)渡方案可能面臨下游泄槽高速水流沖刷及磨蝕問(wèn)題，并考慮此施工處理對(duì)泄槽跌坎部位結(jié)構(gòu)及通氣效果的影響，首選跌坎后移并6孔通氣方案。

表2 減振效果對(duì)比

4 現(xiàn)場(chǎng)原型監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)表明，改造后消除了跌坎部位的空化渦，沖沙底孔流道及下游泄槽沖蝕破損率降低為0；在整個(gè)開度范圍內(nèi)，壩頂檢修門及啟閉室振動(dòng)加速度接近于0；跌坎改造前閘門啟閉室內(nèi)異常聲響為97dBA～107dBA，改造后噪聲變化較為平穩(wěn)，且均低于66dBA，噪聲降低31dBA～41dBA；改造前沖砂底孔穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間為0～1.5m以及4.5m～5.0m，占比40%，改造后穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)變化為0～1.4m以及2.0m～4.0m，占比68%；穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域增大28%；改造前非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間振動(dòng)加速度在10m/s2～17m/s2范圍內(nèi)變化，改造后非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間振動(dòng)加速度峰值在6m/s2～13m/s2之間，降低4m/s2以上。

5 結(jié)論

針對(duì)南歐江五級(jí)水電站出現(xiàn)的沖砂底孔振動(dòng)和異響現(xiàn)象，開展了振動(dòng)機(jī)理和減振技術(shù)研究。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行氣液兩相流動(dòng)模擬，掌握了沖砂底孔流道內(nèi)各個(gè)敏感部位的壓力波動(dòng)頻譜特性時(shí)空分布規(guī)律；采用有限元結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行干模態(tài)和有預(yù)應(yīng)力影響的模態(tài)模擬，確定了閘門結(jié)構(gòu)及底孔壩段的各階振型和自振頻率，揭示了空化渦產(chǎn)生的水擊波是導(dǎo)致振動(dòng)的機(jī)理，為減振改造奠定了理論基礎(chǔ)。首次通過(guò)ANSYS2019 R1中的system-coupling模塊構(gòu)建了泄流動(dòng)邊界流激振動(dòng)耦合模型，實(shí)現(xiàn)了沖砂底孔流道與弧形閘門面板的流固耦合分析，提出并成功實(shí)施了跌坎后移加摻氣工程措施，切實(shí)解決了工程問(wèn)題，避免底孔安全事故發(fā)生，延緩庫(kù)區(qū)泥沙淤積，確保項(xiàng)目安全可靠運(yùn)行。研究成果對(duì)高水頭、大流量沖砂底孔泄流過(guò)程中產(chǎn)生的空化空蝕、底孔及閘門流激振動(dòng)等類似問(wèn)題的解決，具有一定的借鑒意義。