水輪機(jī)組轉(zhuǎn)子振動(dòng)穩(wěn)定性的研究

【摘要】水輪機(jī)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(jī)組的振動(dòng)是水電站存在的一個(gè)普遍問題，運(yùn)行中的機(jī)組都存在不可避免、不同程度的振動(dòng)，本文研究的主要問題是水輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的危害、形成原因、振動(dòng)測(cè)量方法和用配重法來(lái)減小轉(zhuǎn)子的振動(dòng)程度以提高水輪機(jī)組的穩(wěn)定性。

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

引言

水輪發(fā)電機(jī)組在高速運(yùn)行的過(guò)程中，由于受到各種不平衡的荷載作用，轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)過(guò)大的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。過(guò)大的振動(dòng)容易降低機(jī)組運(yùn)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(gè)方面：①引起機(jī)組零部件疲勞破壞區(qū)的形成和擴(kuò)大；②使機(jī)組各部位緊密連接部件松動(dòng)；③使機(jī)組運(yùn)行在高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生難受的噪音；④加速機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的相互磨損；⑤可能產(chǎn)生后果嚴(yán)重的共振現(xiàn)象。由此看出，水輪機(jī)組振動(dòng)問題不容忽視，因此，在理論與實(shí)踐基礎(chǔ)上把握振動(dòng)特點(diǎn)和規(guī)律，在一定的條件下將振動(dòng)盡量地減小，使振動(dòng)值限制在允許的范圍內(nèi)，以降低振動(dòng)帶來(lái)的影響，正是本文要研究的問題。

1、轉(zhuǎn)子振動(dòng)的振源分析

水輪機(jī)組振動(dòng)形成的原因是受到干擾力，當(dāng)干擾力來(lái)自于自身時(shí)，這種振動(dòng)叫做自激振動(dòng)；當(dāng)干擾力來(lái)自外界時(shí)，稱為受迫振動(dòng)。根據(jù)干擾力來(lái)源的形式，又可以分為機(jī)械振動(dòng)、水力振動(dòng)和電磁振動(dòng)。

1.1 機(jī)械原因

機(jī)械振動(dòng)多由結(jié)構(gòu)不平衡導(dǎo)致，特點(diǎn)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(gè)部分的影響因素：①轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡；②機(jī)組軸線不正；③連接部件的摩擦。

1.2 水力振動(dòng)

水輪機(jī)組作為利用水的能量來(lái)工作的機(jī)器，必定受水力影響很大，水力振動(dòng)的影響因素甚為復(fù)雜：①水流進(jìn)入導(dǎo)葉中的不均勻流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生旋渦，形成渦帶引起機(jī)組振動(dòng)；②由轉(zhuǎn)輪葉片尾部的卡門渦列所引起的機(jī)組轉(zhuǎn)子振動(dòng)；③水輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況較遠(yuǎn)，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(dòng)并誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)；④高水頭混流式水輪機(jī)尾水管水壓力脈動(dòng)誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng)。

1.3 電磁方面

水輪發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)可分為兩類：①發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)；②定子鐵芯軛部的固有振動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)。

2、轉(zhuǎn)子振動(dòng)的測(cè)量方法

壓電式加速度傳感器在振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，可以測(cè)量各種環(huán)境中的振動(dòng)量。因此轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡試驗(yàn)用傳感器進(jìn)行，試驗(yàn)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(cè)量步驟為：將加速度傳感器通過(guò)磁座吸附在轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，然后接好導(dǎo)線→在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝已添加質(zhì)量的質(zhì)量盤→啟動(dòng)電機(jī)，調(diào)整穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，觀察和分析所得到振動(dòng)信號(hào)的波形和頻譜→關(guān)閉電機(jī)，改變傳感器位置，再次進(jìn)行試驗(yàn)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(dòng)

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(lái)達(dá)到減小不平衡振動(dòng)，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(shí)就會(huì)引起振動(dòng)而不平衡，通過(guò)在轉(zhuǎn)子上加上平衡質(zhì)量塊來(lái)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(lái)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(dá)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(biāo)記為測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)12，分別在測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行配重，對(duì)配重后的試件進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，記錄最大振動(dòng)值并填入表格。

質(zhì)量塊的質(zhì)量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求得：

3.3 配重試驗(yàn)

現(xiàn)選取質(zhì)量為1.5kg的質(zhì)量盤作為試驗(yàn)對(duì)象，以模擬水輪機(jī)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(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為600r/min，根據(jù)公式可以計(jì)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(yàn)中分別將紐扣電池用膠固定于待測(cè)點(diǎn)，置于試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄此次試驗(yàn)的12個(gè)振動(dòng)波形圖，找出最大振動(dòng)值并匯入表2中： 由

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

4、結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合水輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)，從轉(zhuǎn)子振動(dòng)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(gè)降低機(jī)組結(jié)構(gòu)振動(dòng)的可行辦法——配重法，并以具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)作支撐加以說(shuō)明。實(shí)際水電工程中，振動(dòng)的情況和類型頗為復(fù)雜，很難找到一個(gè)穩(wěn)定的辦法來(lái)解決降低振動(dòng)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(shí)際設(shè)計(jì)中，但對(duì)于綜合分析水輪機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定問題，有相當(dāng)?shù)睦碚搩r(jià)值。

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