抽水蓄能电站拦污栅流激振动研究

论文摘要

抽水蓄能电站拦污栅由于流激振动而破坏的情况时有发生，目前对拦污栅研究主要靠实验，而以往实验中，受材料和条件的限制，很少发现整体拦污栅水弹性流激振动试验，本文结合蒲石河抽水蓄能电站工程实际，通过水弹性模型试验和有限元计算，对抽水蓄能电站拦污栅流激振动进行了研究。(1)研制了用于模似拦污栅流激振动的材料，栅条模型材料的实际密度比理论密度小5.64％，实际弹性模量比理论弹性模量小0.68％，在密度和弹性模量上匀较好地满足试验要求；(2)研制了基于Matlab的振动信号处理系统，克服了仪器捆绑软件的功能束缚，对流激振动采集的数据进行专门分析，高效正确地处理大量实验数据，获取较好的分析效果显得十分重要；(3)按重力—弹性相似原则，对拦污栅进行整体水弹性流激振动试验，测量了60个应变片24个工况的拦污栅流激振动情况，试验表明：无论上、下库拦污栅，都是最低库水位拦污栅处水流呈现扩散流态时，为拦污栅流激振动的控制工况。本实验，上库拦污栅测到的最大应变根方差约为下库拦污栅相应值的3倍。总体而言，栅条是整栅的薄弱环节；(4)整体拦污栅水弹性相似模型试验测到的最大就应变方差约为单栅条水弹相似模型的3倍。整栅需考虑复杂流态和结构耦合对振动的影响。所以单栅条水弹性相似试验不能可靠地预报拦污栅的流激振动。当前，预报拦污栅流激振动的比较可靠的方法是整栅水弹相似模型试验；(5)根据整体拦污栅水弹性模型试验结果，通过分析表明，上库拦污栅抽水工况拦污栅振动的主要振源不是周期性旋涡力。上库拦污栅发电工况与下库拦污栅各工况，拦污栅有些构件的主要振源不是周期性旋涡力，有些构件的主要振源是周期性旋涡力；(6)计算了文中栅条超弛振动的临界流速为11.7m／s，远远大于原型各工况的流速，文中拦污栅不会出现超弛振动；(7)对栅条的疲劳寿命进行了估算，栅条的疲劳寿命为392年，不会出现疲劳破坏。(8)应用Levin公式和有限元法计算了单根栅条在水中的固有频率，两者差距较小，应用有限元法，分别计算了应用低弹模滑块和钢滑块支承，整体拦污栅在空气中和水中的固有频率及振型，并分析了五榀相联拦污栅的固有频率和振型；(9)单根栅条的固有频率远远大于干扰频率，栅条不会产生共振；整体拦污栅的固有频率与干扰频率也无重合锁定情况，不易产生整栅共振，但对于是否需要提高整体拦污栅基频的问题需进一步论证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 抽水蓄能电站的发展背景
• 1.2 抽水蓄能电站拦污栅特点
• 1.3 抽水蓄能电站拦污栅破坏的若干工程实例
• 1.4 本文研究的目的和意义
• 1.5 本文的研究内容
• 2 抽水蓄能电站拦污栅流激振动机制及设计现状
• 2.1 抽水蓄能电站拦污栅流激振动机制
• 2.1.1 圆柱形栅条的激振机制
• 2.1.2 短矩形（c/d约小于2～3）栅条的激振机制
• 2.1.3 中等宽厚比矩形断面（2
• 6d）栅条的激振机制'>2.1.4 长矩形断面（c>6d）栅条的激振机制
• 2.1.5 不同断面形状栅条的激振力谱与反应谱
• 2.2 抽水蓄能电站拦污栅工程设计的现状
• 2.2.1 拦污栅的流激振动分析
• 2.2.2 拦污栅的构造、材质与工艺要求
• 2.3 本章小结
• 3 拦污栅整体水弹性试验
• 3.1 蒲石河抽水蓄能电站概况
• 3.2 上下库原型拦污栅的布置与结构
• 3.2.1 上库拦污栅的布置
• 3.2.2 下库拦污栅的布置
• 3.2.3 拦污栅结构
• 3.3 拦污栅整体水弹性试验
• 3.3.1 模型的相似比尺
• 3.3.2 模型材料的选择
• 3.3.3 整体拦污栅模型的制作
• 3.3.4 应变测点的布置
• 3.3.5 量测系统
• 3.4 试验布置
• 3.4.1 上库试验装置
• 3.4.2 下库试验装置
• 3.5 试验工况
• 3.6 本章小结
• 4 基于Matlab的振动信号处理系统
• 4.1 随机振动信号的理论概要
• 4.1.1 基本特征参数
• 4.1.2 预处理数据序列
• 4.2 基于Matlab的振动信号处理系统应用实例
• 4.2.1 特征值计算
• 4.2.2 特征图形分析
• 4.2.3 功率谱计算数据预处理
• 4.2.4 功率谱计算
• 4.3 本章小结
• 5 蒲石河拦污栅整体水弹性试验结果与分析
• 5.1 过栅流速分布与水头损失
• 5.1.1 上库流速分布与水头损失
• 5.1.2 下库流速分布与水头损失
• 5.2 拦污栅动应变测试结果
• 5.2.1 上库拦污栅动应变
• 5.2.2 下库拦污栅边通道动应变
• 5.2.3 下库拦污栅中间通道动应变
• 5.3 拦污栅迫振频率及功率谱分析
• 5.4 拦污栅水弹性试验实测结果分析
• 5.4.1 流速分布分析
• 5.4.2 整体拦污栅动应变分析
• 5.4.3 结构耦联对栅条应变的影响
• 5.5 本章小结
• 6 拦污栅流激振动分析
• 6.1 单根栅条流激振动试验分析
• 6.2 整体拦污栅流激振动试验分析
• 6.2.1 振动干扰频率探寻
• 6.2.2 振源分析
• 6.3 超驰振动临界流速
• 6.4 栅条疲劳寿命估计
• 6.5 本章小结
• 7 拦污栅模态分析及共振评估
• 7.1 拦污栅单根栅条固有频率计算
• 7.1.1 Levin公式
• 7.1.2 有限元计算
• 7.1.3 单根栅条固有频率分析
• 7.2 整体拦污栅有限元模态分析
• 7.2.1 整体拦污栅有限元模型
• 7.2.2 整体拦污栅结构自振频率
• 7.2.3 整体拦污栅结构振型
• 7.2.4 整体拦污栅自振频率分析
• 7.3 拦污栅共振评估
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢