龔毅力

　　摘　要：主軸係統作（zuò）為水電機組動（dòng）力與載荷傳（chuán）遞的核心部分，其（qí）工作運行穩定性對於保（bǎo）證整個水電站發電過程（chéng）的安全性與效率有（yǒu）著決定性的影響。本文在介紹水電機組主軸係統構成與簡化相關內容的基礎上，提出了影響水電機組主軸係統穩定性的主要因素，並（bìng）進行了驗證，旨在提（tí）供（gòng）一定的參考與借鑒。
　　關鍵詞：水電機組；主軸係（xì）統；穩定性
　　1　水電機組主（zhǔ）軸係統構成與（yǔ）簡化
　　1.1主（zhǔ）軸構成與簡（jiǎn）化
　　通常對水電機組主（zhǔ）軸係統進行分析的過（guò）程中采用分段法進（jìn）行研究。主軸係統分段位置通常選擇截（jié）麵突變處，這些位置的應力載荷相對集中對其進（jìn）行穩（wěn）定性（xìng）校（xiào）核便可實現係統整體的（de）控製。常見的分段（duàn）位置（zhì）包括發電機轉子、水輪機轉輪中心、兩端以及導軸承等位置。

　　1.2導軸承
　　水電機（jī）組主軸（zhóu）係統導軸承通常選擇滑動軸承構建，軸承內潤滑水平較高，能夠（gòu）有效適（shì）應（yīng）較（jiào）大的（de）工作載荷條件，通過不完全約束（shù）實（shí）現主軸的應力承載與有限（xiàn）移動。
　　1.3發電機轉子
　　發電機轉子是水電機組整體質量的（de）集（jí）中部分，轉子外部（bù）由磁極（jí）與磁軛構成（chéng），由鋼架提供支撐作用。在對發電機轉子進行穩定性分析的過程中，通常可采用有限元分析法將其轉化為勻質（zhì）彈（dàn）性杆件，而使用傳遞矩陣法則將其轉化為（wéi）兩端質量均分的中部無質量彈性（xìng）杆（gǎn）件，其外（wài）部磁極與（yǔ）磁軛則轉化為三（sān）個均分質量。
　　1.4水輪機轉輪
　　水輪機轉輪結構承受水體的（de）衝擊作用，自身的質量載荷也相（xiàng）對集中，要求其（qí）具有一定的水平載荷剛度（dù），因（yīn）此在穩定性分析環節與發電機轉子相似，使用（yòng）有限元分析法將其轉化為勻質彈（dàn）性杆件，而使用傳遞矩陣法則將其轉化為兩端質量（liàng）均分的中部無（wú）質（zhì）量彈性杆件。
　　2　水電機組（zǔ）主軸係統穩定性影響因素（sù）
　　2.1機（jī）械因（yīn）素
　　機械因素是水電機組主軸係統穩定性問題的內因，形成影響的部分主要是承載軸承的油膜（mó）作用。其中，油膜厚度（dù）對於主軸係統的運行穩定性其主要作用，在油（yóu）膜出（chū）現破壞的情況（kuàng）下，將加劇（jù）構建磨損，嚴重的情況下將出現停機事（shì）故。係（xì）統中的油膜厚度與軸承負荷、結構、粘度以及運行（háng）條件相關（guān）。同（tóng）時，在係統構件設置對稱（chēng）性出現偏差的情況下，將會導致多種振動問題的出現，在高水頭與高轉速機組（zǔ）中這種不平衡性導（dǎo）致的穩定性問題尤為突出。
　　2.2水力因素
　　水電機（jī）組主軸承受的水流載（zǎi）荷處於動態變化當中，其應力（lì）條（tiáo）件（jiàn）較為複雜，相關穩定性問題主要包括以下幾（jǐ）類：（1）非（fēi）Z佳工況運行條件下的尾（wěi）水管渦帶（dài）導致的振動問題；（2）蝸（wō）殼與（yǔ）導葉位置非勻質流（liú）導（dǎo）致的振動；（3）水電機組（zǔ）導葉出口位置卡門渦列導致的振動。上述水力因素導致的主軸係統振動（dòng）問題，通常需（xū）要在設計或試驗環節對其穩定性（xìng）進行檢驗，采取優化措施將振（zhèn）幅控製在安全條件內。
　　2.3電磁因素
　　水電機組電磁振動問題主要來源是電（diàn）氣係統工況條件下的電磁（cí）力作用，常見的電（diàn）磁振動（dòng）成因包括：繞組短路、間（jiān）隙不均勻、三相電流不（bú）平衡等。上述電磁因素將導（dǎo）致主軸係統位置出現不（bú）平衡（héng）的電磁拉力，改變運行的穩定性。同時，部分環境或故障電流也會導致機（jī）組的（de）電磁振（zhèn）動問題。
　　3　水電機組主（zhǔ）軸係統穩定性分析（xī）
　　3.1機械（xiè）參數對穩定性的影響
　　下圖2為水導軸承剛度（dù）與（yǔ）主軸係統固（gù）有頻率的（de）變化曲線。

　　從圖2中可以看出，在水電機組主軸（zhóu）係統軸承剛（gāng）度（dù）提高的情況下，頻率上升幅度較小，在達到一定水平後將維（wéi）持（chí）平衡（héng），可使其（qí）為（wéi）固定約束，同等載荷條件下軸承的所需剛度水平較低。在實際設計（jì）環節中，通常將軸承剛度選在（zài）靠近曲線上升末端部分，同（tóng）時結合水（shuǐ）流衝擊載（zǎi）荷的變化（huà）條件適當提升主軸下（xià）半部分（fèn）剛度，以此控製固有頻率、限製機組振動。
　　3.2水（shuǐ）流作用對穩定性的影響
　　下圖3、圖（tú）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（yǔ）圖4的對比（bǐ）可以看出，考慮水流作用下的轉輪、轉子（zǐ）的振動幅度有了明（míng）顯的提升，同時個臨近的正向振幅間中（zhōng）存在一定水平的正（zhèng）向位移。從實踐來看，水流對於機組的作用使得機組振動呈現正（zhèng）、負雙（shuāng）向交替變化特征，主軸豎向振動更為明顯。
　　3.3電磁作用對穩定性的影響
　　下圖5為電磁剛度與固有頻率（lǜ）的關係。

　　在上圖5中可看出，水電機組主軸係（xì）統（tǒng）固有頻（pín）率隨著電磁剛度（dù）的增大而減小，表明電（diàn）磁力使得軸係的固有頻率降低，即電磁（cí）力會（huì）加劇軸係振動的幅（fú）度，加大振動周期。電磁剛（gāng）度與上、下、水（shuǐ）導軸承剛度的作用相反，起到了負剛度的效果（guǒ）。
　　4　結語
　　綜上所述，水電機組主軸係統穩（wěn）定性的分析主要涉及機械（xiè）參數（shù）、水（shuǐ）力作用（yòng）以及電磁（cí）作用三個方麵，各影響要素對於水電機組主（zhǔ）軸穩（wěn）定性的影響因素有著各自的特征。水電（diàn）工作者們應準確把握不同因素的影響特點，通過有效的技術手段限製客觀因素造成的不穩（wěn）定問題。

來源：《科學（xué）與（yǔ）財富》2016年37期