1　研究背景

目前，随着水轮发电机组单机容量和运行水头的不断提高，机组的安全稳定性问题也日益突出。在水电站工程的国际招标中，安全稳定性指标在技术评标中也越来越重要，而振动又是影响机组稳定运行的重要因素之一，过大的振动不仅会导致材料的疲劳损坏，缩短设备的寿命，造成机组无法正常运行，严重时可能会引起机组毁坏事故，造成重大的经济损失。近年来，国内如小浪底、岩滩、五强溪、万家寨；国外如委内瑞拉的Guri、美国的Grand Coulee等电站机组都出现了不同程度的振动问题，以致转轮叶片出现裂纹、尾水管壁撕裂、引起零部件或焊缝的疲劳，形成并扩大裂缝直至断裂等，有的甚至引起厂房及相邻水工建筑物发生共振，危及电站的安全稳定运行[1-3]。因此，对机组振动现象的分析与控制是水电站设计与建设中必须要考虑的因素[4]。

水轮发电机组在实际运行中都会存在一定的振动，由于水轮发电机组工作性质的特殊性，机组振动原因较其他动力机械也要复杂得多。除了要考虑机械原因引起的振动外，还要考虑流体的动水压力以及电磁力对机组振动的影响。由此可见，引起水轮发电机组振动的因素主要有机械因素、水力因素和电磁因素。在机组实际运行中，这三种因素综合作用，共同引起转动轴系的振动[5]。而机械因素除了因制造、安装、检修等因素的不平衡引起的振动外，还包括轴系结构设计所决定的固有振动特性，考虑到轴系结构固有的振动特性一旦与外部激振源的振动特性接近，便会引起机组共振，长时间的共振必然会危及机组运行安全。因而，为了预测评估机组轴系是否产生共振，除了控制外部激振源的影响外，还需从根本上分析研究轴系结构固有的振动特性。

水轮发电机组的振动问题历来受到学术界和工程界的高度重视。近年来，机组振动研究与传统的研究方法相比在研究的深度和广度上都取得了重要的进展。通过向数学、物理学等基础学科借鉴，与计算机技术相结合等新的研究领域不断涌现，研究和实验手段更加现代化[6]。在此背景下，本研究将主要借助有限元的数值计算手段，对机组旋转轴系结构的固有动力特性进行模态分析研究，计算轴系结构固有的振动特性（如固有频率、临界转速等）及振型，分析并判断机组轴系发生共振的可能性，初步评估机组结构设计的稳定性和安全性，从而指导轴系结构的优化设计。