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水 利 学 报

２０２３年 ５月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ５期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０５ － ０６１０ － １１

水中运行设备共振幅频特性研究

徐洪泉，周 叶，廖翠林，曹登峰，邹志超
（中国水利水电科学研究院，北京 １０００３８）

摘要：在水力机械等淹没水中设备的运行中，常遇到剧烈振动造成设备损坏等故障，多认为由共振引起。本文首
先对单自由度简谐振动系统自由振动、强迫振动方程的稳态振动解进行无量纲化处理，计算出不同阻尼比条件下
的共振频率比、共振幅值比，发现阻尼比、共振频率比、共振幅值比三者之间存在一一对应的单调变化关系，并
据此提出了分别测量设备在水中及空气中的自由振动频率，假定空气中自由振动频率为设备固有频率，再依次确
定水中阻尼比和共振幅值比的反求式估算方法。本研究采用敲击法进行了混流式水轮机模型转轮水中及空气中自
由振动频率测试，发现其水中自由振动频率比空气中低，其水中一阶自由振动频率与空气中一阶自由振动频率之
比约为 ０．７５８～０．８７２；如假定该值为水中自由振动频率比，可计算出相应的水中阻尼比为 ０．６５２～０．４９０，共振幅值
比约为 １．０１～１．１７。本研究还进行了中间固定两侧悬臂梁在空气及水中的真实共振试验，在两侧悬臂梁计算固有
频率附近均发生明显共振，发现水中共振频率比空气中明显降低，用反求法获得的水中共振幅值比小于 ２，水中
共振幅值对空气中初始振动幅值放大倍数也非常小，进一步说明水中共振时对激振幅值的放大作用非常有限。
关键词：水轮机转轮；悬臂梁；共振；自由振动；固有频率；阻尼；振幅
中图分类号：ＴＶ７３４
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０７１９
１ 引言

振动在大自然、日常生活和工农业生产中很常见，是指物体在平衡位置附近所做的往复运动 ［１ － ４］ 。
共振是振动的一种特殊状态，是指一物理系统在特定频率下比其他频率以更大的振幅做振动的情形，
是激振频率与系统固有频率相等或相接近时系统振幅显著增大的现象。
在车辆、船舶、航空、动力机械、机加工设备及所有旋转机械运行时，均面临振动问题，并存在
共振可能性，避免共振带来危害一直是必须面对的重大课题。汽轮发电机组运行中常遇到油膜震荡问
题，轴承最大振幅可达 ６００～７００μ ｍ ［５ － ６］ ，由自激振动引起，是在负阻尼作用下产生的共振。在混流式
水轮机运行中，发生过 １０余起主轴临界转速频率大幅值弓状回旋故障，严重者压力脉动幅度超过运
行水头，也属自激振动 ［７ － ９］ 。在船舶航行中，也可能受波浪等影响引起共振 ［１０］ 。
受大气环境下运行设备共振事故造成严重破坏后果的影响，加之水中运行设备遇到许多类似于共
振的严重故障，许多还造成了结构材料断裂、事故停机等故障，这引起相关行业密切关注，开展了大
量研究工作。其中有研究管道振动和共振的 ［１１ － １２］ ，更多的是研究水轮机卡门涡共振 ［１３ － １４］ 、涡带共振
及所谓的 “水体共振” ［１５］ 、“空化共振” 等 ［１６］ 。
也有不少学者对水轮机和船舶螺旋桨等水下运行设备的共振及固有频率问题进行了数值计算研
究 ［１７ － １８］ ，文献［１９］则采用经验下降系数分析及优化的方法计算了离心泵叶轮水中固有频率，前 ６阶
比空气中约下 降 １５％，７～１０阶 约 下 降 ４０％。部 分 研 究 者 将 流 固 耦 合 技 术 应 用 于 水 力 阻 尼 数 值 预

收稿日期：２０２２ － ０９ － ０９；网络首发日期：２０２３ － ０５ － １９
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０５１８．１１３５．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：中国水利水电科学研究院科研专项项目（ＨＭ０１４５Ｂ４３２０１６）
作者简介：徐洪泉（ １９５５ － ），教授级高级工程师，主要从事水力机械开发及稳定性研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｘｕｈｑ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ

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