水电机组主轴系统稳定性分析

龚毅力

摘要：主轴系统作为水电机组动力与载荷传递的核心部分，其工作运行稳定性对于保证整个水电站发电过程的安全性与效率有着决定性的影响。本文在介绍水电机组主轴系统构成与简化相关内容的基础上，提出了影响水电机组主轴系统稳定性的主要因素，并进行了验证，旨在提供一定的参考与借鉴。

关键词：水电机组；主轴系统；稳定性

1水电机组主轴系统构成与简化

1.1主轴构成与简化

通常对水电机组主轴系统进行分析的过程中采用分段法进行研究。主轴系统分段位置通常选择截面突变处，这些位置的应力载荷相对集中对其进行稳定性校核便可实现系统整体的控制。常见的分段位置包括发电机转子、水轮机转轮中心、两端以及导轴承等位置。

1.2导轴承

水电机组主轴系统导轴承通常选择滑动轴承构建，轴承内润滑水平较高，能够有效適应较大的工作载荷条件，通过不完全约束实现主轴的应力承载与有限移动。

1.3发电机转子

发电机转子是水电机组整体质量的集中部分，转子外部由磁极与磁轭构成，由钢架提供支撑作用。在对发电机转子进行稳定性分析的过程中，通常可采用有限元分析法将其转化为匀质弹性杆件，而使用传递矩阵法则将其转化为两端质量均分的中部无质量弹性杆件，其外部磁极与磁轭则转化为三个均分质量。

1.4水轮机转轮

水轮机转轮结构承受水体的冲击作用，自身的质量载荷也相对集中，要求其具有一定的水平载荷刚度，因此在稳定性分析环节与发电机转子相似，使用有限元分析法将其转化为匀质弹性杆件，而使用传递矩阵法则将其转化为两端质量均分的中部无质量弹性杆件。

2水电机组主轴系统稳定性影响因素

2.1机械因素

机械因素是水电机组主轴系统稳定性问题的内因，形成影响的部分主要是承载轴承的油膜作用。其中，油膜厚度对于主轴系统的运行稳定性其主要作用，在油膜出现破坏的情况下，将加剧构建磨损，严重的情况下将出现停机事故。系统中的油膜厚度与轴承负荷、结构、粘度以及运行条件相关。同时，在系统构件设置对称性出现偏差的情况下，将会导致多种振动问题的出现，在高水头与高转速机组中这种不平衡性导致的稳定性问题尤为突出。

2.2水力因素

水电机组主轴承受的水流载荷处于动态变化当中，其应力条件较为复杂，相关稳定性问题主要包括以下几类：（1）非最佳工况运行条件下的尾水管涡带导致的振动问题；（2）蜗壳与导叶位置非匀质流导致的振动；（3）水电机组导叶出口位置卡门涡列导致的振动。上述水力因素导致的主轴系统振动问题，通常需要在设计或试验环节对其稳定性进行检验，采取优化措施将振幅控制在安全条件内。

2.3电磁因素

水电机组电磁振动问题主要来源是电气系统工况条件下的电磁力作用，常见的电磁振动成因包括：绕组短路、间隙不均匀、三相电流不平衡等。上述电磁因素将导致主轴系统位置出现不平衡的电磁拉力，改变运行的稳定性。同时，部分环境或故障电流也会导致机组的电磁振动问题。

3水电机组主轴系统稳定性分析

3.1机械参数对稳定性的影响

下图2为水导轴承刚度与主轴系统固有频率的变化曲线。

从图2中可以看出，在水电机组主轴系统轴承刚度提高的情况下，频率上升幅度较小，在达到一定水平后将维持平衡，可使其为固定约束，同等载荷条件下轴承的所需刚度水平较低。在实际设计环节中，通常将轴承刚度选在靠近曲线上升末端部分，同时结合水流冲击载荷的变化条件适当提升主轴下半部分刚度，以此控制固有频率、限制机组振动。

3.2水流作用对稳定性的影响

下图3、图4分别为不考虑与考虑水流作用的水电机主轴振动位移水平曲线。

通过图3与图4的对比可以看出，考虑水流作用下的转轮、转子的振动幅度有了明显的提升，同时个临近的正向振幅间中存在一定水平的正向位移。从实践来看，水流对于机组的作用使得机组振动呈现正、负双向交替变化特征，主轴竖向振动更为明显。

3.3电磁作用对稳定性的影响

下图5为电磁刚度与固有频率的关系。

在上图5中可看出，水电机组主轴系统固有频率随着电磁刚度的增大而减小，表明电磁力使得轴系的固有频率降低，即电磁力会加剧轴系振动的幅度，加大振动周期。电磁刚度与上、下、水导轴承刚度的作用相反，起到了负刚度的效果。

4结语

综上所述，水电机组主轴系统稳定性的分析主要涉及机械参数、水力作用以及电磁作用三个方面，各影响要素对于水电机组主轴稳定性的影响因素有着各自的特征。水电工作者们应准确把握不同因素的影响特点，通过有效的技术手段限制客观因素造成的不稳定问题。