龔毅力

摘要：主軸系統(tǒng)作為水電機組動力與載荷傳遞的核心部分，其工作運行穩(wěn)定性對于保證整個水電站發(fā)電過程的安全性與效率有著決定性的影響。本文在介紹水電機組主軸系統(tǒng)構(gòu)成與簡化相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出了影響水電機組主軸系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素，并進行了驗證，旨在提供一定的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：水電機組；主軸系統(tǒng)；穩(wěn)定性

1水電機組主軸系統(tǒng)構(gòu)成與簡化

1.1主軸構(gòu)成與簡化

通常對水電機組主軸系統(tǒng)進行分析的過程中采用分段法進行研究。主軸系統(tǒng)分段位置通常選擇截面突變處，這些位置的應(yīng)力載荷相對集中對其進行穩(wěn)定性校核便可實現(xiàn)系統(tǒng)整體的控制。常見的分段位置包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子、水輪機轉(zhuǎn)輪中心、兩端以及導(dǎo)軸承等位置。

1.2導(dǎo)軸承

水電機組主軸系統(tǒng)導(dǎo)軸承通常選擇滑動軸承構(gòu)建，軸承內(nèi)潤滑水平較高，能夠有效適應(yīng)較大的工作載荷條件，通過不完全約束實現(xiàn)主軸的應(yīng)力承載與有限移動。

1.3發(fā)電機轉(zhuǎn)子

發(fā)電機轉(zhuǎn)子是水電機組整體質(zhì)量的集中部分，轉(zhuǎn)子外部由磁極與磁軛構(gòu)成，由鋼架提供支撐作用。在對發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行穩(wěn)定性分析的過程中，通常可采用有限元分析法將其轉(zhuǎn)化為勻質(zhì)彈性桿件，而使用傳遞矩陣法則將其轉(zhuǎn)化為兩端質(zhì)量均分的中部無質(zhì)量彈性桿件，其外部磁極與磁軛則轉(zhuǎn)化為三個均分質(zhì)量。

1.4水輪機轉(zhuǎn)輪

水輪機轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)承受水體的沖擊作用，自身的質(zhì)量載荷也相對集中，要求其具有一定的水平載荷剛度，因此在穩(wěn)定性分析環(huán)節(jié)與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相似，使用有限元分析法將其轉(zhuǎn)化為勻質(zhì)彈性桿件，而使用傳遞矩陣法則將其轉(zhuǎn)化為兩端質(zhì)量均分的中部無質(zhì)量彈性桿件。

2水電機組主軸系統(tǒng)穩(wěn)定性影響因素

2.1機械因素

機械因素是水電機組主軸系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的內(nèi)因，形成影響的部分主要是承載軸承的油膜作用。其中，油膜厚度對于主軸系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性其主要作用，在油膜出現(xiàn)破壞的情況下，將加劇構(gòu)建磨損，嚴重的情況下將出現(xiàn)停機事故。系統(tǒng)中的油膜厚度與軸承負荷、結(jié)構(gòu)、粘度以及運行條件相關(guān)。同時，在系統(tǒng)構(gòu)件設(shè)置對稱性出現(xiàn)偏差的情況下，將會導(dǎo)致多種振動問題的出現(xiàn)，在高水頭與高轉(zhuǎn)速機組中這種不平衡性導(dǎo)致的穩(wěn)定性問題尤為突出。

2.2水力因素

水電機組主軸承受的水流載荷處于動態(tài)變化當中，其應(yīng)力條件較為復(fù)雜，相關(guān)穩(wěn)定性問題主要包括以下幾類：（1）非最佳工況運行條件下的尾水管渦帶導(dǎo)致的振動問題；（2）蝸殼與導(dǎo)葉位置非勻質(zhì)流導(dǎo)致的振動；（3）水電機組導(dǎo)葉出口位置卡門渦列導(dǎo)致的振動。上述水力因素導(dǎo)致的主軸系統(tǒng)振動問題，通常需要在設(shè)計或試驗環(huán)節(jié)對其穩(wěn)定性進行檢驗，采取優(yōu)化措施將振幅控制在安全條件內(nèi)。

2.3電磁因素

水電機組電磁振動問題主要來源是電氣系統(tǒng)工況條件下的電磁力作用，常見的電磁振動成因包括：繞組短路、間隙不均勻、三相電流不平衡等。上述電磁因素將導(dǎo)致主軸系統(tǒng)位置出現(xiàn)不平衡的電磁拉力，改變運行的穩(wěn)定性。同時，部分環(huán)境或故障電流也會導(dǎo)致機組的電磁振動問題。

3水電機組主軸系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

3.1機械參數(shù)對穩(wěn)定性的影響

下圖2為水導(dǎo)軸承剛度與主軸系統(tǒng)固有頻率的變化曲線。

從圖2中可以看出，在水電機組主軸系統(tǒng)軸承剛度提高的情況下，頻率上升幅度較小，在達到一定水平后將維持平衡，可使其為固定約束，同等載荷條件下軸承的所需剛度水平較低。在實際設(shè)計環(huán)節(jié)中，通常將軸承剛度選在靠近曲線上升末端部分，同時結(jié)合水流沖擊載荷的變化條件適當提升主軸下半部分剛度，以此控制固有頻率、限制機組振動。

3.2水流作用對穩(wěn)定性的影響

下圖3、圖4分別為不考慮與考慮水流作用的水電機主軸振動位移水平曲線。

通過圖3與圖4的對比可以看出，考慮水流作用下的轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)子的振動幅度有了明顯的提升，同時個臨近的正向振幅間中存在一定水平的正向位移。從實踐來看，水流對于機組的作用使得機組振動呈現(xiàn)正、負雙向交替變化特征，主軸豎向振動更為明顯。

3.3電磁作用對穩(wěn)定性的影響

下圖5為電磁剛度與固有頻率的關(guān)系。

在上圖5中可看出，水電機組主軸系統(tǒng)固有頻率隨著電磁剛度的增大而減小，表明電磁力使得軸系的固有頻率降低，即電磁力會加劇軸系振動的幅度，加大振動周期。電磁剛度與上、下、水導(dǎo)軸承剛度的作用相反，起到了負剛度的效果。

4結(jié)語

綜上所述，水電機組主軸系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析主要涉及機械參數(shù)、水力作用以及電磁作用三個方面，各影響要素對于水電機組主軸穩(wěn)定性的影響因素有著各自的特征。水電工作者們應(yīng)準確把握不同因素的影響特點，通過有效的技術(shù)手段限制客觀因素造成的不穩(wěn)定問題。