溫占營，梁睿光

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧省丹東市 118216）

0 引言

抽水蓄能電站水泵水輪發(fā)電機組多為立軸，旋轉(zhuǎn)部件和支承結(jié)構(gòu)均按軸對稱布置[1]。在運行過程中常見有機械、電磁和流體振動[2][3]，本文對水泵水輪發(fā)電機組機械振動中軸系統(tǒng)振動做專題探討。這里主要通過有限元法建立機組軸系統(tǒng)的分析模型，探討立式抽水蓄能機組軸系統(tǒng)的橫向振動、豎向振動、扭轉(zhuǎn)振動，分析剛度與振動的敏感性。

1 某已投運立軸水泵水輪發(fā)電機組軸系統(tǒng)建模振動分析

這里以某已經(jīng)投入運行的單機容量200MW水泵水輪發(fā)電機組作為計算實例，對分析方法和振動規(guī)律加以分析說明，模型見圖1。

1.1 機組軸系統(tǒng)橫向振動

機組軸系統(tǒng)的橫向振動是主要的振動形式，機械、電磁和水力的徑向不平衡力是主要的動態(tài)載荷。因此，機組振動的解析應(yīng)重點放在橫向振動方面。通過有限元模型的建立和計算分析：

（1）采用有限單元法建立計算模型可行。軸系振動的主要影響因素應(yīng)包括：機組的布置、型式、重量和尺寸，導(dǎo)軸承和支承體系的剛度，轉(zhuǎn)子的陀螺慣性矩，轉(zhuǎn)輪處水體的附加質(zhì)量，發(fā)電機定轉(zhuǎn)子間的不平衡磁拉力，推力軸承的剛度，結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的阻尼等。

（2）從這臺水泵水輪發(fā)電機組的計算結(jié)果看，在所選取的導(dǎo)軸承剛度系數(shù)下，其一階自振頻率為12.44Hz，其二階自振頻率為16.36Hz，即一階臨界轉(zhuǎn)速為764.4r/min，高于機組額定轉(zhuǎn)速（500r/min）20%以上，所以不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

（3）給定軸系計算參數(shù)和振動荷載，可以方便地利用Wilson-θ法計算大軸的橫向振動反應(yīng)。對動力反應(yīng)（大軸擺度）影響最大的仍然是導(dǎo)軸承系統(tǒng)的剛度，同時阻尼也起一定的作用。計算的關(guān)鍵在于確定各種不平衡力的動載荷大小。振動的頻率也有較大影響，激振頻率越接近臨界轉(zhuǎn)速頻率，振動反應(yīng)越大。

（4）大軸尺寸、導(dǎo)軸承剛度、軸承位置等因素對橫向自振頻率均有明顯影響[4][5]，如果需要準確計算臨界轉(zhuǎn)速，必須對各種因素進行全面的分析和合理取值。

（5）大軸位移隨著各導(dǎo)軸承剛度的變化而變化；導(dǎo)軸承阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼對位移幅值也有明顯影響，隨著導(dǎo)軸承的阻尼增大，結(jié)點處位移總體上將減小。

（6）通過自振特性的敏感性分析可以得出初步認識，改變大軸的長度和直徑作用有限，而軸承的支承位置和支承剛度影響最大。因此，為提高機組軸系統(tǒng)的整體剛度，須盡量將上導(dǎo)軸承和下導(dǎo)軸承靠近轉(zhuǎn)子布置，同時盡量提高導(dǎo)軸承的剛度。導(dǎo)軸承的剛度由潤滑油膜的剛度和支撐體系的剛度組成，因此應(yīng)防止軸承間隙在運行中因磨損和擺動等原因而增大，導(dǎo)致油膜厚度增大和剛度降低[5]；提高支承體系的剛度，包括機架剛度和鋼筋混凝土機墩的剛度。另一方面，應(yīng)盡量降低軸系統(tǒng)的高度，從而提高大軸的剛度和支承體的剛度。

圖1 某水泵水輪發(fā)電機組軸系統(tǒng)計算模型Fig．1 Calculation model of shaft system for a hydroelectric generating unit

1.2 機組軸系統(tǒng)豎向振動

豎向振動即為軸向振動，其振動形態(tài)相對簡單。盡管橫向振動是主要的振動形式，但在水泵水輪機豎向脈動壓力載荷等的作用下，也可能激發(fā)豎向振動。豎向振動解析采用有限單元法，通過數(shù)值模型的建立和計算分析，歸納如下：

（1）采用有限單元法建立計算模型簡單可行。軸系豎向振動的主要影響因素應(yīng)包括：機組的布置、型式、重量和尺寸，推力軸承的位置和支承剛度，轉(zhuǎn)子支臂和承載機架的剛度以及轉(zhuǎn)輪處水體的附加質(zhì)量等。

（2）從這臺水泵水輪發(fā)電機組的計算結(jié)果可以看出，立式機組自由振動的頻率相對較高，只要推力軸承油膜和支持系統(tǒng)有足夠的剛度，可以保證軸系為剛性軸設(shè)計，而不存在共振的可能。

（3）由于轉(zhuǎn)動系統(tǒng)主要由推力軸承支承，其剛度即起決定性作用，尤其是在一定的取值范圍內(nèi)影響十分顯著。

（4）承載機架支臂剛度和轉(zhuǎn)子支臂剛度，在一定的取值范圍內(nèi)均有較大影響，應(yīng)在機組設(shè)計中著重研究支撐系統(tǒng)的剛度設(shè)計和合理取值。

（5）大軸的截面大小、軸段長度和推力軸承的位置對基本自振頻率的影響并不顯著，因此，僅需在軸系布置和強度設(shè)計中予以充分關(guān)注，并在橫向振動設(shè)計中從軸系剛度保證方面予以必要復(fù)核。

1.3 機組軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動

立式機組軸系扭轉(zhuǎn)振動的主要荷載為電磁扭矩和水輪機的渦帶擺動，其振動形態(tài)相對簡單，但嚴重時可導(dǎo)致機組的出力擺動和大軸的扭轉(zhuǎn)破壞，也必須予以重視。扭轉(zhuǎn)振動解析采用有限單元法，通過數(shù)值模型的建立和計算分析，歸納如下：

（1）采用有限單元法建立計算模型簡單可行。軸系扭轉(zhuǎn)振動的主要影響因素包括：機組的布置、型式、尺寸和轉(zhuǎn)動部件重量與轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子支臂扭轉(zhuǎn)剛度和磁軛與磁極質(zhì)量，以及轉(zhuǎn)輪處水體的附加質(zhì)量等。

（2）從這臺水泵水輪發(fā)電機組的計算結(jié)果可以看出，在所取計算參數(shù)下，立式機組扭轉(zhuǎn)自由振動的頻率相對較低（4Hz左右），由于扭轉(zhuǎn)振動的頻率一般為低頻渦帶（1Hz左右）或電磁頻率（50Hz或100Hz），共振的可能性較小。

（3）轉(zhuǎn)子是最大的轉(zhuǎn)動部件，水輪機轉(zhuǎn)動慣量和水體附加轉(zhuǎn)動慣量相對小一些，但兩者均有較大影響，應(yīng)予充分考慮，但由于其值相對固定，進行設(shè)計修改的裕度不大，也不經(jīng)濟。

（4）大軸的截面面積和軸段長度也有一定的敏感性，可以適當進行修改以達成抗振的目標，但修改的裕度也不是很大；轉(zhuǎn)子支臂剛度有一定影響，可以適當提高其剛度，從而提高整體扭轉(zhuǎn)剛度。

2 軸系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)對自振特性的敏感性分析

2.1 水泵水輪發(fā)電機組的自振特性

與常規(guī)水輪發(fā)電機組相比，水泵水輪發(fā)電機組具有工況復(fù)雜、起停機頻繁、工作轉(zhuǎn)速高、正反轉(zhuǎn)工作、有的還是變速工作等特點。

根據(jù)一般的抗振設(shè)計要求，機組軸系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)高于工作轉(zhuǎn)速20%以上。由于水泵水輪發(fā)電機組的額定轉(zhuǎn)速一般較高（在500r/min或更高），要求機組大軸和支承剛度更強，以保證臨界轉(zhuǎn)速高于工作轉(zhuǎn)速，軸系一般按剛性軸設(shè)計。

導(dǎo)軸承剛度的變化對軸系各階臨界轉(zhuǎn)速（自振頻率）有較大影響。由于水電機組轉(zhuǎn)子是剛性轉(zhuǎn)子，必須充分重視由于大軸擺度的變化引起導(dǎo)軸承油膜剛度的變化，最終導(dǎo)致的臨界轉(zhuǎn)速（自振頻率）的變化，確保機組經(jīng)常運行在遠低于第一階臨界轉(zhuǎn)速（自振頻率）的狀態(tài)下。若由于軸承剛度的降低，而引起機組臨界轉(zhuǎn)速（自振頻率）的降低，導(dǎo)致機組工作在近臨界或過臨界狀態(tài)，就可能引起機組共振，有導(dǎo)致部件破壞乃至整個機組軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)破壞的危險。

自振頻率低于機組轉(zhuǎn)頻時，在機組開機和停機過程中通過自振頻率時將造成一定的困難。由于水電機組起停機較為頻繁，故柔性轉(zhuǎn)子這種設(shè)計方式是應(yīng)該避免的。

2.2 導(dǎo)軸承剛度對自振特性的敏感性分析

水泵水輪發(fā)電機組軸系統(tǒng)的主要支承體系為導(dǎo)軸承、機架（對應(yīng)于懸式和全傘式，為定子機座或頂蓋與座環(huán)）和鋼筋混凝土機墩結(jié)構(gòu)[6]，分析表明，對于自振頻率，支承剛度是最主要的影響因素，設(shè)計中必須優(yōu)先予以考慮。

提高導(dǎo)軸承剛度對于提高機組剛度和臨界轉(zhuǎn)速最為有效，其中下導(dǎo)軸承剛度最為敏感，主要是因為其距離轉(zhuǎn)子最近和橫向約束作用最強，應(yīng)優(yōu)先考慮提高其支承剛度并盡量靠近轉(zhuǎn)子布置。支承剛度包括油膜剛度和支撐體剛度，因此，應(yīng)盡量使軸承間隙保持設(shè)計值而不增大，下機架或頂蓋支持系統(tǒng)的剛度足夠大。通過結(jié)構(gòu)體系的剛度分析可以得出結(jié)論，為提高機組轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體剛度，應(yīng)盡量采用矮機墩結(jié)構(gòu)并提高機墩剛度，對于地下廠房，機墩結(jié)構(gòu)除應(yīng)有足夠剛度外，與巖體一體澆筑是有利的，同時各層樓板采用厚板結(jié)構(gòu)也是有利的。

2.3 大軸尺寸對自振特性的敏感性分析

大軸的尺寸對機組穩(wěn)定性有一定的影響。大軸越短，橫截面積越大，軸系的剛度越大，機組運行穩(wěn)定性越好。大軸直徑和壁厚的變化對自振頻率的影響比較顯著，因此，在機組動力設(shè)計時，應(yīng)從剛度與強度兼顧的原則同時考慮內(nèi)外徑的合理尺寸。理論上，大軸的直徑和壁厚越大，抗彎剛度越大，自振頻率越高，對運行穩(wěn)定性越有利。但是，必須考慮合理的設(shè)計范圍，增大大軸的直徑和壁厚是有限制的，也應(yīng)同時考慮其經(jīng)濟性。

2.4 導(dǎo)軸承布置對自振特性的敏感性分析

導(dǎo)軸承的布置無疑對機組穩(wěn)定性有直接影響。導(dǎo)軸承對機組旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)起徑向支承作用，軸承位置對機組的穩(wěn)定運行影響很大。軸承距轉(zhuǎn)動部件越近，機組越穩(wěn)定；反之，導(dǎo)軸承間距過大或距離轉(zhuǎn)動部件越遠，機組更容易失穩(wěn)。

分別計算分析了各個導(dǎo)軸承的位置對自振頻率的影響，主要結(jié)論為，下導(dǎo)軸承位置對第一階頻率影響最大，所以在機組結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，下導(dǎo)軸承所放置的位置至關(guān)重要，應(yīng)予以充分關(guān)注。

導(dǎo)軸承的布置與機組整體布置密不可分，可以調(diào)整的幅度有限，因此，更應(yīng)從提高導(dǎo)軸承剛度入手進行抗振設(shè)計。

2.5 豎向和扭轉(zhuǎn)振動特性的敏感性分析

橫向振動是水泵水輪發(fā)電機組最主要的振動形式，設(shè)計中必須將其放在首位。豎向和扭轉(zhuǎn)振動出現(xiàn)的機會較少，危害相對較輕，但設(shè)計中也應(yīng)予以兼顧。

豎向振動的最主要影響因素為推力軸承剛度和其支承體系的剛度，設(shè)計中應(yīng)予以保證。分析表明，矮機墩和傘式布置相對有利。

扭轉(zhuǎn)振動的最主要因素包括轉(zhuǎn)子支臂的剛度和大軸尺寸，由于扭轉(zhuǎn)振動振源的頻率或者較低（尾水管低頻渦帶），或者較高（電磁振動），共振的可能性較小，更應(yīng)從降低振動幅值方面加強軸系扭轉(zhuǎn)剛度的設(shè)計，盡量提高軸系剛度。

3 結(jié)束語

通過對對立式水泵水輪機組軸系統(tǒng)的橫向振動、豎向振動、扭轉(zhuǎn)振動的自振特性、動力響應(yīng)和穩(wěn)定性做了一定深入分析表明，水泵水輪發(fā)電機組軸系統(tǒng)的剛度尤為重要，但對水泵水輪發(fā)電機組在選型上，應(yīng)結(jié)合支持體系的剛度綜合考慮。

[1] 戴然．響水澗抽水蓄能電站水泵水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計總結(jié)．大電機技術(shù)，2014（2）: 67-73．DAI Ran．Structure design summary of xiangshuijian pumpturbine．Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，2014（2）:67-73．

[2] 李國和，抽水蓄能電站可能出現(xiàn)的水力振動．華北電力技術(shù)，1996（1）:31-33．LI Guohe．Hydraulic vibration of pumped storage power station．North China Electric Power，1996（1）:31-33．

[3] 鄭永有．混流水力機組振動分析．紅水河，2002（2）:59-61．ZHENG Yongyou，XUE Bigen．Vibration analysis of mixed flow turbine unit．Hongshui River，2002（2）: 59-61．

[4] 王湘．水輪發(fā)電組軸系仿真及動態(tài)特性分析．機械設(shè)計與制造，2010（6）:176-177．WANG Xiang．Dynamics analysis and simulation of the virtual prototyping of turbine shaft system．Machinery Design &Manufacture，2010（6）:176-177．

[5] 安學(xué)利．水輪發(fā)電機組橫向振動特性分析．潤滑與密封，2008，33（12）:40-43．AN Xueli．Lateral vibration characteristics analysis of the hydrogenerator set．Lubrication Engineering，2008，33（12）: 40-43．

[6] 崔升．水輪機軸系支承剛度識別．振動與沖擊，1997（1）:52-56．CUI Sheng，LUO Wenbo．Stiffness identification of hydraulic turbine shafting．Journal of Vibration and Shock，1997（1）:52-56．