水电站机组振动及其与厂房的耦联振动研究

水电站机组振动及其与厂房的耦联振动研究

方强

（国网浙江省电力公司紧水滩水力发电厂浙江丽水323000）

摘要：水电建设的日益加快，使得机组的尺寸和容量以及转速不断增大和提高，带来了机组振动和水电站厂房结构振动的问题。从我国当前水电站运行情况和资料的收集情况来看，振动的问题是影响机组运行的重要因素，因此，加大对机组振源和振动的研究是非常有必要的。本文围绕水电站机组振动及其与厂房的耦联振动展开分析，主要对机组的动荷载传递方式、推力轴承等的动力特性，通过建立传力系统振动力学模型，对上述特性加以分析，借以指导如何进行机组和厂房结构的动力优化设计。

关键词：水电站；机组振动；耦联振动

水电厂由于厂房结构的特点和功能的特殊性，在运行中产生振动是较为普遍的事情，进行机组振动和水动力厂房振动，如果过于剧烈，则会对结构进行破坏，影响电气设备的运行，从而导致厂内的工作环境恶化，影响机组周围的支承结构。因此机组振动使设计水电站安全稳定运行的重要因素。

1、机组振动分析

11水轮发电机的共振产生在周系统以及自振频率重合的时候，此时产生的强烈的振动被称为临界转速。在临界转速状态下机组的运行中会出现较大的弓状回转振动，振幅较大，破坏导致塑性变形的几率较大，长期运行的状态下，大轴和轴承相互作用，破坏轴承的情况时有发生[1]。

1.2通过国内外对于水轮发电机组的振动进行研究，已经将机组振动的发生原因予以归类，包括水力、机械和电磁三个方面，还有设备失调以及土建结构缺陷，也是导致机械振动出现的原因。

1.3机组轴系统横向振动的分析，首先建立三个导轴承布置的半伞式机组，设置为计算模型，其简化的力学模型，包括了大轴，采用了梁单元离散的形式，设置弹簧支撑点一个，串联弹簧刚度、油膜刚度、轴承支撑体刚度，分别采用K1、K2、K3作为标识，经过分析，采用一个扭转弹簧作为标识K4，可以对推力轴承的作用予以分析。在转轮的位置，容易发生水力的不平衡，密封的间歇不均匀，采用K5进行标识，代表弹性恢复力。

对于机组轴系统横向自振特性进行计算，采用矩阵分析计算的方法，设置了刚度结构的总体刚度阵和质量阵，将横向的位移U以及转角M进行集中，得到了融入了对角线元素的总体动力平衡方程：

通过空间迭代法，就可以计算各个阶特征值和特征向量的临界转速：

1.4机组轴系统的动力反应，是由于机械不平衡里等的存在产生的，与制造和安装上的偏差有密切的关系。例如轮转迷宫设计的不合理，产生的压力振动和自机振动，导致轴系发生了摆度，造成了运行的不稳定和出力摆动。摆度过大，则定子和转子之间可能就会出现转动的部件和固定的部件碰撞和摩擦的问题出现。在进行机组的自振特性的计算的时候，要考虑结构的阻尼和导轴的阻尼的影响，可以采用振型叠加的方法求解特征方阵，得到复频率和复振型以及动力反应[2]。

1.5轴系统的各阶的临界转速和振型，可以用子空间迭代法对各个阶的频率进行求解，横坐标为P，各个阶频率以f-p为代表进行画出，采用过原点的放射线进行频率的划分，得到了临界频率以及临界转速。

F-p关系曲线

轴系统的不平衡相应，与各种不平衡力下的外荷载有关系。荷载包括了水力和电磁的不平衡力，机械偏心以及脉动压力等，阻尼为瑞利阻尼[3]。

1.5回振动的敏感特性主要是由于动力负荷无法满足设计要求，因此在进行结构动力修改的时候，根据系统的参量，包括轴承的间距、轴承的支承刚度、动力学参数等，对临界反应和动力转速的敏感性进行分析，从而为结构抗振提供设计依据。

2、机组与厂房耦联振动

2.1水电站的厂房的结构的额特殊性，包含了水轮机、发电机以及混凝土的支承结构等复杂系统，要考虑电磁以及流体等的作用，涉及到结构、电磁、流体动力学等学科，进行部件的振动特性的综合分析和研究，首先要对结构、荷载以及边界的条件等进行不确定性的研究，给出精确的分析模型后，方能对结构的振动予以预测和控制。

2.2导轴承的动态特性分析，是将导轴承的单点刚性简支进行刚度和阻尼的计算，在轴承的刚度和机组的转速、导轴承的型号、润滑的条件、油膜的工作方式和物理性能方面，加以分析和计算。例如轴承的总体支承刚度是由油膜的刚度和支撑体的刚度合成的，不同的构造和形式对其影响较大，而且也有不同的刚度系数[4]。

由于荷载的变化与导轴承的摆度的变化是同步的，因此二者的变化相互影响，使用固定的导轴承动力特性系数进行计算不合理，必须考虑刚度和阻尼系数来进行导轴承的非线性动力特性的计算，得到的结果是导轴承动力特性的系数的固定值。

2.3以某水电站机组为例，对于不通支承结构对水轮发电机组动力特性的影响进行分析，得到了支承结构分别为：导轴承动力系数被看成固定值设置的支承结构模型；考虑了导轴承动力特性系数，将机组的大轴的摆度进行非线性变化设置，构成了支撑结构模型。

结语：

影响厂房振动的因素，不仅包括振源，还包括了动态特性参数、边界条件等。大致分为水力、机械、电气等等，这些振源相对来说传递振动的路径较为复杂，对其进行有限元数值的计算，需要进行多种程度的架设，因此要渗入研究振源的振动特性，需要对不通的机械动荷载传递方式以及结构的振动特性加以了解。无论采用何种方法，都要与结构上的动荷载以及动荷载自身的幅值、频率和相位分不开的。

参考文献：

[1]于金朋，黄冠华，张卫华等.基于振动能量的内燃动车组柴油机组振动烈度分析[J].北京交通大学学报，2014，38（6）：47-51.

[2]唐拥军，周喜军.江西洪屏抽水蓄能电站1号机组振动分析与处理[J].水力发电，2016，42（8）：87-89.

[3]曹斌，姚泽，徐广文等.长潭水电厂3号机组振动故障分析与动平衡处理[J].中国农村水利水电，2015，（2）：136-139.

[4]石长征，伍鹤皋，江畅等.冲击式水轮机配水环管和厂房结构静动力承载性能研究[J].四川大学学报（工程科学版），2014，46（6）：78-84.