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摘 要：对水电工程中经常出现的机组振动问题进行分析，并结合国内外水电工程的特点，提出了机组振动问题的解决思路和建议。
关键词：国际水电工程；水轮机；机组振动
随着我国水电建设的不断发展，我国建设的水轮发电机组的水头、容量不断增多，机组振动问题日益突出，对电站的安全运行和设备使用寿命造成了不利影响[1]。而水轮发电机组的运行工况复杂，振源较多，引起机组振动的因素往往叠加出现，振动的测试、分析与消减难度很大。所以研究机组振动的产生原因、危害和防治具有重要的理论意义和经济意义。
一、水轮发电机组振动的产生
由于水轮发电机组在实际运行过程中工况复杂，所以引起机组振动的原因很多，主要有水力振动、电磁振动和机械振动。
（一）水力振动
水轮发电机组水力振动主要由于机组出力和水头波动、过流部件的水压力脉动和调速器系统震荡引起的。例如，尾水管涡带、卡门涡列和狭缝射流诱发的振动都与水压力脉动有关。
（二）电磁振动
电磁振动主要由设计参数不匹配或是制造、安装不当，造成发电机工作时磁拉力不平衡而产生的机组振动。转子圆度不够、转子旋转中心偏移或定子铁芯松动都是造成磁拉力不平衡的原因。
（三）机械振动
机械振动主要由转动部件质量不平衡、偏心或轴承间隙调整不当引起。其中转动部件质量不平衡而引起的弓状回旋是机组振动的最常见现象。
我们把转子（如图）理想化为一质密圆盘来分析并假定：
1、当角速度ω=0时，圆盘的几何中心与回转中心重合；
2、忽略转轴的阻尼效应；
3、由于质量分布不均所产生的偏心距（重心w至o1的距离）为e；
当轴以角速度ω旋转时，由于失衡质量惯性力的作用，轴将产生弯曲变形，其中心o1获得挠度y。现将o、o1、w三点表示在与旋转中心线垂直的A-A平面上（如图c）由于不考虑阻尼，o、o1、w将共线，并且随同旋转的离心力作用带动圆盘转轴产生弯曲变形，其中心o作圆周运动。这种运动状态称为弓状回旋，几何中心的回转半径（挠度）就是振幅。
作用于圆盘上的离心力
P=m（y+e）ω2 式中m为圆盘质量
由于轴的弯曲变形而作用在圆盘上的弹性恢复力为ky（k为弹性系数）。对于稳定的弓状回旋，上述二力必须相等。
m（y+e）ω2=ky
即：y=meω2/（k-mω2） （1）
上式表明：1）回转半径随偏心距的增大而增大；
2）回转半径是角速度ω的函数。
即：y=f（ω）
当k-mω2=0，即ω=时，y，在理论上轴将折断，但实际上由于存在轴承的限制作用和其他一些因素的影响，最终出现轴的剧烈振动。这一角速度称为临界角速度，并以ωc表示。
c可以用每分钟的转数表示如下：
（2）
我们知道，质量——弹簧系统的自振频率=圆盘与轴组成的系统，同样可以看成是一个简单质量——弹簧系统。因此式（2）表明，n与带有圆盘之轴的自振频率重合：
c就是通常所说的“临界转速”。
当轴以临界转速旋转时，将产生剧烈的横向振动，这正是一种共振现象。这种共振对水力机组的安全稳定运行危害非常大，而且最为常见。
二、水轮发电机组振动的危害
剧烈的振动会破坏机组的正常工作状况，导致转动部件和静止部件之间的摩擦加剧影响零部件使用寿命。经常性的振动还能引起金属疲劳，使各连接处和接合处发生松动，导致部件出现裂纹甚至断裂[2]。当振源频率与机组或厂房固有频率接近引起共振时，可能引起机组解列甚至水工建筑损坏。如果振动值长期超过振动允许值，不仅对机组正常运行不利，更将危及电站安全运行。由此可见，减小机组振动对于提高机组运行的可靠性和延长机组的使用寿命具有重大意义[1，2]。
三、水轮发电机组振动的防治
（一）振动的防治
根据以上对机组振动产生的原因的分析可知，有些机组振动是可以消除的，但有些机组振动是不可避免的。因此，我们只能尽可能的把机组振动限制在一定范围内。机组在安装或检修后必须进行试运转，我国根据长时间的工程经验规定了在额定转速下对振动进行测量其测量部位及振动允许值并收入标准《GB/T8564-2003 水轮发电机组安装技术规范》。
为了解机组的振动值大小和分析振动产生的原因，现場振动测试得到了普遍应用。振动测试为保证机组振动值在允许值范围内和解决振动问题提供了依据[3]。在机组安装完成后，根据测试数据可分析振动产生的原因并采取相应的措施。
下面简单介绍下工程实际中一些常见的避免或减轻、消除机组振动的方法：
1、机组设计时采取措施，尽量减小磁轭不均匀产生的径向位移，优化接线方式，减小次谐波的值；
2、根据转动部件在水中的模态和频率，应用断裂力学预测部件的疲劳破坏[4]；
3、在制造、安装过程中严格把控定子、转子的圆度及同心度；
4、提高制造、安装质量，减小误差，保证机组支承件有足够的强度；
5、对因转子质量不平衡，产生弓状回旋而引起的振动，大、中型低转速机组可以在转子组装前对磁极、轮毂支臂、磁轭压板、制动闸板、磁极引线称重，进行静平衡计算。并在磁轭铁片迭装前按规范要求对磁轭铁片按重量进行分类，并按分类情况编制磁轭铁片堆积表，按表堆积。磁轭组装完成后，根据堆积情况和每个磁极重量，挂装位置计算转子整体不平衡重量，如不平衡重量仍超过规范要求，则需要在相应位置进行配重，并进行动平衡试验，根据试验结果调整配重，以减小或消除由于转子静不平衡所产生的振动；
6、对由于主轴出现不同心或折线而引起的振动，可在盘车是着重控制进行调整；
7、对因发电机磁拉力不均匀引起机组振动，可通过轴线调整使发电机空气间隙均匀来消除或减小磁拉力不均匀引起机组振动；
8、对因导轴承间隙过大、推力轴承各支柱变形值偏差过大而引起机组振动，可通过调整导轴瓦间隙和调整推力轴承各支柱受力来减小机组振动；
9、在机组运行过程中，将机组振动测试运用到振动分析中，增强决策的依据[5]。
参考文献：
[1]董毓新.水轮发电机组振动[M].大连理工大学出版社，1989
[2]李启章.对大型机组振动、裂纹问题的探讨[J].水电站机电技术，2003（s1）：17-19
[3]黄长征，李锦.水轮发电机组振动技术研究[J].韶关学院学报2013，34（12）：30-35
[4] LIU Xiao-bing，CAO Shu-you.Numerical prediction of vortex flowing hydraulic turbine draft tube for LES[J].J.of Hydrodynamics，2005，17（4）：448—454.
[5]江學文，刘海燕，王兴芳.水轮发电机组状态监测技术应用研究[J].水电与新能源，2013（2）：17-22.
关键词：国际水电工程；水轮机；机组振动
随着我国水电建设的不断发展，我国建设的水轮发电机组的水头、容量不断增多，机组振动问题日益突出，对电站的安全运行和设备使用寿命造成了不利影响[1]。而水轮发电机组的运行工况复杂，振源较多，引起机组振动的因素往往叠加出现，振动的测试、分析与消减难度很大。所以研究机组振动的产生原因、危害和防治具有重要的理论意义和经济意义。
一、水轮发电机组振动的产生
由于水轮发电机组在实际运行过程中工况复杂，所以引起机组振动的原因很多，主要有水力振动、电磁振动和机械振动。
（一）水力振动
水轮发电机组水力振动主要由于机组出力和水头波动、过流部件的水压力脉动和调速器系统震荡引起的。例如，尾水管涡带、卡门涡列和狭缝射流诱发的振动都与水压力脉动有关。
（二）电磁振动
电磁振动主要由设计参数不匹配或是制造、安装不当，造成发电机工作时磁拉力不平衡而产生的机组振动。转子圆度不够、转子旋转中心偏移或定子铁芯松动都是造成磁拉力不平衡的原因。
（三）机械振动
机械振动主要由转动部件质量不平衡、偏心或轴承间隙调整不当引起。其中转动部件质量不平衡而引起的弓状回旋是机组振动的最常见现象。
我们把转子（如图）理想化为一质密圆盘来分析并假定：
1、当角速度ω=0时，圆盘的几何中心与回转中心重合；
2、忽略转轴的阻尼效应；
3、由于质量分布不均所产生的偏心距（重心w至o1的距离）为e；
当轴以角速度ω旋转时，由于失衡质量惯性力的作用，轴将产生弯曲变形，其中心o1获得挠度y。现将o、o1、w三点表示在与旋转中心线垂直的A-A平面上（如图c）由于不考虑阻尼，o、o1、w将共线，并且随同旋转的离心力作用带动圆盘转轴产生弯曲变形，其中心o作圆周运动。这种运动状态称为弓状回旋，几何中心的回转半径（挠度）就是振幅。
作用于圆盘上的离心力
P=m（y+e）ω2 式中m为圆盘质量
由于轴的弯曲变形而作用在圆盘上的弹性恢复力为ky（k为弹性系数）。对于稳定的弓状回旋，上述二力必须相等。
m（y+e）ω2=ky
即：y=meω2/（k-mω2） （1）
上式表明：1）回转半径随偏心距的增大而增大；
2）回转半径是角速度ω的函数。
即：y=f（ω）
当k-mω2=0，即ω=时，y，在理论上轴将折断，但实际上由于存在轴承的限制作用和其他一些因素的影响，最终出现轴的剧烈振动。这一角速度称为临界角速度，并以ωc表示。
c可以用每分钟的转数表示如下：
（2）
我们知道，质量——弹簧系统的自振频率=圆盘与轴组成的系统，同样可以看成是一个简单质量——弹簧系统。因此式（2）表明，n与带有圆盘之轴的自振频率重合：
c就是通常所说的“临界转速”。
当轴以临界转速旋转时，将产生剧烈的横向振动，这正是一种共振现象。这种共振对水力机组的安全稳定运行危害非常大，而且最为常见。
二、水轮发电机组振动的危害
剧烈的振动会破坏机组的正常工作状况，导致转动部件和静止部件之间的摩擦加剧影响零部件使用寿命。经常性的振动还能引起金属疲劳，使各连接处和接合处发生松动，导致部件出现裂纹甚至断裂[2]。当振源频率与机组或厂房固有频率接近引起共振时，可能引起机组解列甚至水工建筑损坏。如果振动值长期超过振动允许值，不仅对机组正常运行不利，更将危及电站安全运行。由此可见，减小机组振动对于提高机组运行的可靠性和延长机组的使用寿命具有重大意义[1，2]。
三、水轮发电机组振动的防治
（一）振动的防治
根据以上对机组振动产生的原因的分析可知，有些机组振动是可以消除的，但有些机组振动是不可避免的。因此，我们只能尽可能的把机组振动限制在一定范围内。机组在安装或检修后必须进行试运转，我国根据长时间的工程经验规定了在额定转速下对振动进行测量其测量部位及振动允许值并收入标准《GB/T8564-2003 水轮发电机组安装技术规范》。
为了解机组的振动值大小和分析振动产生的原因，现場振动测试得到了普遍应用。振动测试为保证机组振动值在允许值范围内和解决振动问题提供了依据[3]。在机组安装完成后，根据测试数据可分析振动产生的原因并采取相应的措施。
下面简单介绍下工程实际中一些常见的避免或减轻、消除机组振动的方法：
1、机组设计时采取措施，尽量减小磁轭不均匀产生的径向位移，优化接线方式，减小次谐波的值；
2、根据转动部件在水中的模态和频率，应用断裂力学预测部件的疲劳破坏[4]；
3、在制造、安装过程中严格把控定子、转子的圆度及同心度；
4、提高制造、安装质量，减小误差，保证机组支承件有足够的强度；
5、对因转子质量不平衡，产生弓状回旋而引起的振动，大、中型低转速机组可以在转子组装前对磁极、轮毂支臂、磁轭压板、制动闸板、磁极引线称重，进行静平衡计算。并在磁轭铁片迭装前按规范要求对磁轭铁片按重量进行分类，并按分类情况编制磁轭铁片堆积表，按表堆积。磁轭组装完成后，根据堆积情况和每个磁极重量，挂装位置计算转子整体不平衡重量，如不平衡重量仍超过规范要求，则需要在相应位置进行配重，并进行动平衡试验，根据试验结果调整配重，以减小或消除由于转子静不平衡所产生的振动；
6、对由于主轴出现不同心或折线而引起的振动，可在盘车是着重控制进行调整；
7、对因发电机磁拉力不均匀引起机组振动，可通过轴线调整使发电机空气间隙均匀来消除或减小磁拉力不均匀引起机组振动；
8、对因导轴承间隙过大、推力轴承各支柱变形值偏差过大而引起机组振动，可通过调整导轴瓦间隙和调整推力轴承各支柱受力来减小机组振动；
9、在机组运行过程中，将机组振动测试运用到振动分析中，增强决策的依据[5]。
参考文献：
[1]董毓新.水轮发电机组振动[M].大连理工大学出版社，1989
[2]李启章.对大型机组振动、裂纹问题的探讨[J].水电站机电技术，2003（s1）：17-19
[3]黄长征，李锦.水轮发电机组振动技术研究[J].韶关学院学报2013，34（12）：30-35
[4] LIU Xiao-bing，CAO Shu-you.Numerical prediction of vortex flowing hydraulic turbine draft tube for LES[J].J.of Hydrodynamics，2005，17（4）：448—454.
[5]江學文，刘海燕，王兴芳.水轮发电机组状态监测技术应用研究[J].水电与新能源，2013（2）：17-22.