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摘要：近年来，我国的电力系统发展的越来越快，我国不论政府还是企业或者是个人都对水轮发电机组提出了越来越高的要求，水电站特别关注水轮机发电机组的振动研究，并且次研究也一直是该领域的工作人员的主要研究对象，在这种大环境下，水轮发电机组的工作效率得到了很快的提升。首先无论是对水电站的设计而言，还是从运营和维护水电站来看，研究水轮机发电机组的振动都对我们的工作和生活都意义重大。本文的脉络是以水轮发电机组为起点，用ansys软件对水轮发电机组振动的主要原因进行研究，对水轮发电机组的结构原理、发展历史、振动机理进行分析。
关键词：水轮机发电组；振动；原理；分析方法
0引言
经过多次实践来看，在水电站的前期设计、中期安装、运行还有后期的维护过程中，水轮机发电机组的振动贯穿始终，是整个系统的关键问题。除此之外，整个水电站是否能正常运转、赢取利润最关键的就是水轮发电设备能否正常运转，其直接关系到水电站的经济利益和人民的生活状况。所以，解决水轮发电机组的振动问题已经是操作人员工作中重中之重的首要大事。只有保证水轮发电机的正常运行，才能保障水电站的运营，获得更多的经济利益。
1水轮发电机组结构
显而易见，水轮发电机组利用的是水能，是由水轮机驱动的发电机组。水电站一般都靠近江湖河海，由于各个水电站自然条件不同，水轮发电机组的容量、转速和功率有很大变化。水轮发电机的结构有三种，有卧式、立式和贯流式发电机。小容量、高速水轮发电机主要由卧式发电机驱动，大容量、中容量水轮发电机多由立式发电机驱动，卧式发动机一般结构相对简单，容量比较少小，在小发电站中容易看到；立式发动机一般结构比卧式复杂，容量比卧式大，安装也相对复杂，常见于大的电站。最后贯流式水轮发电机结构比较紧凑,所有的工序都在一台机器上，使用贯流式节省了很多时间，它的重量也轻,易于移动，所以它在低水头的电站经常可以看到中。因为卧式结构的发电机外部形状较细长，所以当发动机采用卧式结构时比较容易出现振动的现象，当水轮机和卧式发动机组合以后，压力特别影响影响到发动机的工作，这不仅会导致整体不稳定，还会使振动现象更加明显。
水轮发电机的基本元件有：机架、转子、定子、轴承、制动装置、冷却装置等。其内部具有发电机轴，发电机轴一般分为柔性轴和刚性轴，在水轮发电机组中，因为水轮机工作需要巨大的承受力，刚性轴是被普遍选择作为一种材料，因为其对刚性和强度有着很高的要求。
2发电机组的振动现象及振动分析
2.1水轮发电机组振动原理
水轮发电机组的振动问题并非我们想象的仅仅是一个技术问题，它还与水力发电站的正常运行有很大的关系，间接也会影响到我们人民的正常生活，通常认为水力、机械和电气三个方面是使机组产生振动的主要干扰力，并不是在某一个时期某一个因素单独作用，它们是在同一时间对水轮发电机组产生了共同作用。
水流是水轮发电机组正常运行的先决条件，它通过旋转向水轮发电机组提供动力，进而产生势能，但水是一种流体，在巨大的冲击力下，它也会造成机组的振动。因为水所引起的振动不在少数，而且也很难避免，包括流过导叶、转轮、蜗壳或者其他表面不平的部件的水流不均匀引起的振动，还有流经尾水管涡带和卡门涡列引起的振动，它们一大部分原因是水轮发电机初期设计的缺陷，其运行状态与预期不一致，造成了大部分水流没有按照预期的路线带动机器，导致一部分势能转化为振动消耗了。
当水轮发电机组工作发电时，机组内部工件之间会产生各种作用力，阻碍水的流动，消耗水的势能，比如水和机器的惯性力、工件之间或者水和工件之间的摩擦力等，这种情况很容易造成机组内部振动。机械内部引起的振动多种多样，大多数是在机器设计阶段产生的缺陷。比如转子重量不平衡，不是圆的、轴线不齐，增加水流距离、转子自身误差过大等因素，其他机械区域也有缺陷，比如整个机组的轴线歪斜、轴承不合格和推力头松动等原因，也会造成振动的发生。
除此之外，还有电磁振动。电磁振动分为两类：转频振动和极频振动。转频振动的诱发原因主要有：发电机的转子和定子之间的问题、转子间存在不规则缝隙导致流过转子的气隙不均匀、三相负荷不均匀、还有磁极的次序乱码等问题，而定子铁芯松动很可能是引起极频振动的原因。
2.2ansys软件对振动振源的分析
我们可以利用ansys软件的帮助分析水轮发电机组的振动及其振源，第一阶段为数据处理，第二阶段为中期录入数据分析问题计算方程式求解，第三阶段为整理数据，建立有效的实用模型，提取有用的现实信息，对振动问题进行模拟和求解。
使用ansys软件的一般步骤为：首先，分析实际问题，提炼出要解决的问题，综合有用的实际信息，通过ansys网格划分工具建立一个实体模型，将数据输入到计算机中，对整体进行多种情况分析讨论，对各种方案进行划分区域，以便能精确处理最后的结果。随后进行线性分析、非线性分析或者高度非线性分析，确定一组关于物理问题的微分方程定量，记录每个微分方程的实际意义，列出方程式与约束条件，在此基础上形成单元矩阵，利用电脑进行求解，同时结合多种学科共同分析。对最后联立的机械方程组求解时，我们可以用数学解矩阵的软件，也可采用迭代、直接等方法，我们可以得到求解的结果是一个近似值变量，而不是一个具体值。
最后，如果有需要，可将计算结果以不同的形式显示出来比如粒子流图形、word或者excle形式。下图是我用ansys软件做的一个实验：
因为轮机组的振动是多个力共同作用的结果，而且流体具有多变性，所以不能确定一个具体值，只能求得一个近似值。模型和理论很难精准的表达共同作用的结果，所以在研究水轮发电机组振动的过程中专家一般采取的方法是实地勘测和具体问题具体分析，每次尝试，每次总结都会得到新的东西，在实践中解决振动问题。虽然在实践中进步可能会发生很多事故，但是实践才是检验真知的唯一标准。通过实践积累的经验和大量的测量数据不仅为建立数学理论和模型分析提供了数据基础，还为机器的维护与诊断提供了前车之鉴，利于我们解决实际中发生的问题。
3 引起水轮发电机组振动的主要原因
3.1电磁部件偏离平衡结构
发电机的电气部分通过将水流势能转化为电能，但是在转化的同时，还会产生干扰机组运行的磁场，引起振动，比如转频振动和极频振动。由于转子磁极圆度参差不齐，转频振动的频率为转频或者它的整倍数，转频振动的大小与正在短路的线圈匝数有关，这安装或者设计时可能就产生了这个故障。另一类是极频振动，其产生原因有：定子的铁芯组合的缝隙出现松动现象，或者定子的铁芯不够紧固；和定子并联的支路产生的磁场等等。
3.2水利部件偏离平衡结构
（1）经过总结，水轮发电机组中发生振动故障次数最多的就是尾水管涡带。当水轮发电机组没有处于它的最佳的工作状态时候，高速旋转的水流会在强大的离心力的作用下，带着大量的气泡还有外部的空气进入到尾水管涡带，形成旋涡，除此之外旋涡内部压力比周围低，此时如果汽蚀系数比较小的话，那么将会产生空腔汽蚀的现象，即旋涡中心部分的空腔做有规律的偏心运动，旋转的水流会撞击外部的工件，进而会引发机械内部很大的共振现象，轻一点会使转轮叶片产生裂纹或者碎裂，严重时会造成整个机器的移动，对工人的安全产生影响，甚至使水轮发电机组没有办法继续工作。
（2）如果我们把平板或者圆柱放在正在流动的水里面，在它们的受压力的那一侧会产生有规则的涡流，这种涡流是水流的尾部脱落产生的，即为卡门涡流。从字面就可以知道，卡门涡流振动形成原因就是这种规则的涡旋。根据我们所学的流体力学知识，在雷诺数很大的时候，圆柱或者平板的围绕流动会转变为交叉的旋涡即为卡门涡列。卡门涡流的频率f为： f=St 。如果两者的频率趋于相同，就会产生强烈的噪音。除此之外卡门涡列的频率和水轮叶片厚度、水流速度等因素也有关。所以我们可以将水轮发电机转轮叶片的厚度变薄或者在转轮叶片连接处安装支撑物来提高转轮叶片的固有频率来避免共振现象的发生。
（3）我们可以知道，当水轮发电机正常工作压力管道两端打开时，水流有自振现象。当水流经过水轮机时，管道中的水体自振和水轮机的水流脉动在频率上可能相同，共振现象很可能发生。振动频率f为： f=（Hz）
3.3机械部件偏离平衡结构
了保证机组在水流的旋转过程中能够保持整体稳定性，一般水轮发电机组的支承部件、旋转部分都是按轴对称设计的，但是在旋转和支承工件中由于工艺需要也存在着不是对称性的设计。在水流过大的时候，工件很可能偏离原来的位置，此时机组运行就会变得不稳定，会产生各种形式的振动。比如发电机组的安装问题、质量问题、维护问题等，都有可能造成机械部件的振动。但是在日常工作中机械部件不平稳现象是普遍存在的，尤其是在高转速的机组中，因为水流的高速运行，更易造成部件振动。
4结束语
水轮机发电机组的振动是一个一直存在且亟待解决的问题，对它的研究一直是学术界热衷的话题。它是一般机械的振动参考量，它需要将机械自身的转动和其他部件的振动原因，与水轮发电机组水的流体力学、电场与磁场力等各方面的因素考虑进去。在水轮发电机组实际运行时，振动的因素很多，为我们的研究增加了很多困难，但是科学的魅力就在于不断的探索未知。解决水轮发电机组的振动问题我们还是任重而道远，但我们势在必行。
参考文献:
[1]杨超杰;丁鈺水轮发电机组励磁系统研究[J].吉林水利，2017-08-15
[2]沈全荣;陈佳胜;陈俊;郭自刚;王光.基于导纳特性的水轮发电机失磁保护新判据[J].电力自动化设备，2017-06-30 15:42
[3]路晓敏;陈磊;陈亦平;闵勇;侯君;刘映尚.电力系统一次调频过程的超低频振荡分析[J].电力系统自动化，2017-06-23
论文作者:张恒
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/18
标签：机组论文; 水轮论文; 水轮发电机论文; 水流论文; 水轮机论文; 卡门论文; 水电站论文; 《电力设备》2017年第31期论文;