【摘要】水輪機組的安全與穩(wěn)定是水電工程中必須重視的研究課題，而機組的振動是水電站存在的一個普遍問題，運行中的機組都存在不可避免、不同程度的振動，本文研究的主要問題是水輪機轉(zhuǎn)子振動的危害、形成原因、振動測量方法和用配重法來減小轉(zhuǎn)子的振動程度以提高水輪機組的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)子振動；穩(wěn)定性；振源分析；配重法

引言

水輪發(fā)電機組在高速運行的過程中，由于受到各種不平衡的荷載作用，轉(zhuǎn)子不平衡振動過大的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。過大的振動容易降低機組運行效率，造成結(jié)構(gòu)損壞甚至造成事故，其危害具體表現(xiàn)在幾個方面：①引起機組零部件疲勞破壞區(qū)的形成和擴大；②使機組各部位緊密連接部件松動；③使機組運行在高速運行時產(chǎn)生難受的噪音；④加速機組轉(zhuǎn)動部分的相互磨損；⑤可能產(chǎn)生后果嚴重的共振現(xiàn)象。由此看出，水輪機組振動問題不容忽視，因此，在理論與實踐基礎(chǔ)上把握振動特點和規(guī)律，在一定的條件下將振動盡量地減小，使振動值限制在允許的范圍內(nèi)，以降低振動帶來的影響，正是本文要研究的問題。

1、轉(zhuǎn)子振動的振源分析

水輪機組振動形成的原因是受到干擾力，當干擾力來自于自身時，這種振動叫做自激振動；當干擾力來自外界時，稱為受迫振動。根據(jù)干擾力來源的形式，又可以分為機械振動、水力振動和電磁振動。

1.1 機械原因

機械振動多由結(jié)構(gòu)不平衡導致，特點是普遍存在，且在高水頭高轉(zhuǎn)速的情況下尤為

突出，主要有以下幾個部分的影響因素：①轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡；②機組軸線不正；③連接部件的摩擦。

1.2 水力振動

水輪機組作為利用水的能量來工作的機器，必定受水力影響很大，水力振動的影響因素甚為復雜：①水流進入導葉中的不均勻流場會產(chǎn)生旋渦，形成渦帶引起機組振動；②由轉(zhuǎn)輪葉片尾部的卡門渦列所引起的機組轉(zhuǎn)子振動；③水輪機偏離設(shè)計工況較遠，轉(zhuǎn)輪出口產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)水流，形成偏心渦帶，使在尾水管中產(chǎn)生壓力脈動并誘發(fā)機組振動；④高水頭混流式水輪機尾水管水壓力脈動誘發(fā)的機組振動。

1.3 電磁方面

水輪發(fā)電機的電磁振動可分為兩類：①發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分由于定子和轉(zhuǎn)子的不均衡磁力而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)頻振動；②定子鐵芯軛部的固有振動所產(chǎn)生的振動。

2、轉(zhuǎn)子振動的測量方法

壓電式加速度傳感器在振動測試領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，可以測量各種環(huán)境中的振動量。因此轉(zhuǎn)子的動平衡試驗用傳感器進行，試驗需要的主要儀器設(shè)備有：壓電式加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦、質(zhì)量盤、質(zhì)量塊、天平等。

測量步驟為：將加速度傳感器通過磁座吸附在轉(zhuǎn)子實驗臺上，然后接好導線→在振動實驗臺的電機轉(zhuǎn)子上安裝已添加質(zhì)量的質(zhì)量盤→啟動電機，調(diào)整穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，觀察和分析所得到振動信號的波形和頻譜→關(guān)閉電機，改變傳感器位置，再次進行試驗并記錄數(shù)據(jù)。在電腦上顯示的數(shù)據(jù)見圖1，所記錄得到的數(shù)據(jù)見表1。

3、配重法減小振動

3.1 配重法的原理

配重法就是在轉(zhuǎn)子上添加或減去一定質(zhì)量的質(zhì)量塊，來達到減小不平衡振動，提高穩(wěn)定性的方法。它的原理在于轉(zhuǎn)子存在偏心量，在高速旋轉(zhuǎn)時就會引起振動而不平衡，通過在轉(zhuǎn)子上加上平衡質(zhì)量塊來改變轉(zhuǎn)子質(zhì)心的位置，使添加或減去的質(zhì)量塊產(chǎn)生與原不平衡力偶相反的力偶，來消除轉(zhuǎn)子的偏心力偶，從而使得轉(zhuǎn)子上不再存在離心慣性力而達到平衡。

3.2 配重操作方法

將轉(zhuǎn)子質(zhì)量盤距離圓心一定距離的某一圓周劃分為12等分，標記為測點1至測點12，分別在測點處進行配重，對配重后的試件進行振動試驗，記錄最大振動值并填入表格。

質(zhì)量塊的質(zhì)量根據(jù)經(jīng)驗公式求得：

3.3 配重試驗

現(xiàn)選取質(zhì)量為1.5kg的質(zhì)量盤作為試驗對象，以模擬水輪機轉(zhuǎn)子的配重法研究。質(zhì)量盤材料為硅鋼片，厚0.8cm，半徑11.4cm，在10cm圓周處選取測點，試驗時試驗臺轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為600r/min，根據(jù)公式可以計算出，質(zhì)量塊的質(zhì)量為0.6g，一粒紐扣電池的質(zhì)量大約0.6g，試驗中分別將紐扣電池用膠固定于待測點，置于試驗臺進行試驗，記錄此次試驗的12個振動波形圖，找出最大振動值并匯入表2中： 由

表2可以看出，在12個測點中，有的測點加重后最大振動值有明顯減小，從0.212mm降低到0.033mm，減振效果樂觀；也有測點最大振動反而增大，多數(shù)測點的振動值有所減小。由此可以得出結(jié)論，配重法對于減小轉(zhuǎn)子振動，提高穩(wěn)定性有一定的作用。理論上可以通過不斷調(diào)整測點的位置，反復試驗，能夠找到最佳的配重點，使得結(jié)構(gòu)的振動降為最低。

4、結(jié)語

本文結(jié)合水輪機轉(zhuǎn)子動平衡試驗，從轉(zhuǎn)子振動的危害、成因以及減小措施等角度展開研究，從理論上提出了一個降低機組結(jié)構(gòu)振動的可行辦法——配重法，并以具體試驗數(shù)據(jù)作支撐加以說明。實際水電工程中，振動的情況和類型頗為復雜，很難找到一個穩(wěn)定的辦法來解決降低振動提高穩(wěn)定，因此本文所研究的內(nèi)容并不能直接完全應(yīng)用于實際設(shè)計中，但對于綜合分析水輪機組振動穩(wěn)定問題，有相當?shù)睦碚搩r值。

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