水輪機組轉子振動穩定性的研究

【摘要】水輪機組的安全與穩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子的振動程度以提高水輪機組的穩定性。

【關鍵詞】轉子振動；穩定性；振源分析；配重法

引言

水輪發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，轉子不平衡振動過大的現象頻繁出現。過大的振動容易降低機組運行效率，造成結構損壞甚至造成事故，其危害具體表現在幾個方面：①引起機組零部件疲勞破壞區的形成和擴大；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生難受的噪音；④加速機組轉動部分的相互磨損；⑤可能產生后果嚴重的共振現象。由此看出，水輪機組振動問題不容忽視，因此，在理論與實踐基礎上把握振動特點和規律，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，以降低振動帶來的影響，正是本文要研究的問題。

1、轉子振動的振源分析

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

機械振動多由結構不平衡導致，特點是普遍存在，且在高水頭高轉速的情況下尤為

突出，主要有以下幾個部分的影響因素：①轉子質量不平衡；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生旋渦，形成渦帶引起機組振動；②由轉輪葉片尾部的卡門渦列所引起的機組轉子振動；③水輪機偏離設計工況較遠，轉輪出口產生旋轉水流，形成偏心渦帶，使在尾水管中產生壓力脈動并誘發機組振動；④高水頭混流式水輪機尾水管水壓力脈動誘發的機組振動。

1.3 電磁方面

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

2、轉子振動的測量方法

壓電式加速度傳感器在振動測試領域中應用廣泛，可以測量各種環境中的振動量。因此轉子的動平衡試驗用傳感器進行，試驗需要的主要儀器設備有：壓電式加速度傳感器、數據采集器、電腦、質量盤、質量塊、天平等。

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

3、配重法減小振動

3.1 配重法的原理

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

3.2 配重操作方法

將轉子質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。

質量塊的質量根據經驗公式求得：

3.3 配重試驗

現選取質量為1.5kg的質量盤作為試驗對象，以模擬水輪機轉子的配重法研究。質量盤材料為硅鋼片，厚0.8cm，半徑11.4cm，在10cm圓周處選取測點，試驗時試驗臺轉子轉速為600r/min，根據公式可以計算出，質量塊的質量為0.6g，一粒紐扣電池的質量大約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，多數測點的振動值有所減小。由此可以得出結論，配重法對于減小轉子振動，提高穩定性有一定的作用。理論上可以通過不斷調整測點的位置，反復試驗，能夠找到最佳的配重點，使得結構的振動降為最低。

4、結語

本文結合水輪機轉子動平衡試驗，從轉子振動的危害、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構振動的可行辦法——配重法，并以具體試驗數據作支撐加以說明。實際水電工程中，振動的情況和類型頗為復雜，很難找到一個穩定的辦法來解決降低振動提高穩定，因此本文所研究的內容并不能直接完全應用于實際設計中，但對于綜合分析水輪機組振動穩定問題，有相當的理論價值。

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