唐擁軍，周喜軍，張 飛

(國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161)

0 引 言

噪聲是一種聲音，是由物體的機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的。振動(dòng)的物體稱為聲源，它可以是固體、氣體或液體。水電機(jī)組運(yùn)行過程中主要受機(jī)械、電氣與水力三種因素的耦合作用，因此，水電機(jī)組噪聲中匯聚了機(jī)械、電氣與水力三方面產(chǎn)生的噪聲信息，例如，水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的各種機(jī)械噪聲、發(fā)電機(jī)電磁力產(chǎn)生的電磁噪聲及水輪機(jī)流道中各種水流撞擊、脫流、卡門渦、空化等水力產(chǎn)生的噪聲。而這是振動(dòng)擺度或壓力脈動(dòng)傳感器不具備的。不過，機(jī)組出現(xiàn)明顯故障時(shí)，噪聲可能是由機(jī)械、電氣與水力三者中兩項(xiàng)或一項(xiàng)為主而產(chǎn)生的，例如，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的卡門渦與葉片共振而出現(xiàn)的高頻嘯叫聲、導(dǎo)葉嚴(yán)重過流不均時(shí)的水流與轉(zhuǎn)輪動(dòng)靜干涉而產(chǎn)生的劇烈噪聲、迷宮環(huán)間隙不均勻而出現(xiàn)的不平衡側(cè)壓力所引發(fā)的低頻噪聲。因此可以利用噪聲信號來對機(jī)組出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析與診斷。本文用三個(gè)實(shí)例來說明噪聲測試在三種典型故障分析中應(yīng)用。

1 應(yīng)用實(shí)例一

某巨型混流式水電機(jī)組在做變負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了噪聲測試，噪聲測點(diǎn)布置在蝸殼進(jìn)人門、水車室與尾水進(jìn)人門處。測得的三處噪聲A聲級與有功功率關(guān)系曲線如圖1所示，3處噪聲頻域瀑布圖如圖2～圖4所示。

圖1 機(jī)組噪聲A聲級與有功功率關(guān)系曲線

圖4 尾水門噪聲頻域瀑布圖

由圖1可知，噪聲A聲級與有功功率大致呈“V”字形，小于450 MW與大于620 MW負(fù)荷的范圍內(nèi)噪聲相對較大，不過三處噪聲A聲級均小于95 dBA,從中不能發(fā)現(xiàn)異常情況，然而從圖2至圖4可以看出，430～500 MW負(fù)荷范圍內(nèi)出現(xiàn)了112 Hz左右的頻率成分，水車室噪聲中112 Hz左右頻率成分幅值最大，蝸殼門與尾水門噪聲中112 Hz左右頻率成分幅值相差不大，是水車室噪聲的1/3左右?？紤]到壓力波順?biāo)鱾鞑ニp要慢些，逆水流傳播衰減要快些，由此可以推測，噪聲源位于流道中的蝸殼與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪之間。又430～500 MW負(fù)荷范圍內(nèi)112 Hz頻率基本保持不變，因此可判斷出是導(dǎo)葉出水邊的卡門渦引發(fā)的共振現(xiàn)象。后來機(jī)組檢修期間，固定導(dǎo)葉出水邊作了修型處理，該問題得到解決，這說明推理分析正確。

2 應(yīng)用實(shí)例二

某巨型混流式水電機(jī)組在啟動(dòng)調(diào)試期間做帶負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組在300～700 MW負(fù)荷范圍內(nèi)出現(xiàn)了異常的高頻嘯叫聲。機(jī)組噪聲A聲級與有功功率關(guān)系曲線如圖5所示，機(jī)組噪聲頻域瀑布圖如圖6～圖8所示。

圖5 機(jī)組噪聲A聲級與有功功率關(guān)系曲線

圖6 蝸殼門噪聲頻域瀑布圖

圖7 水車室噪聲頻域瀑布圖

圖8 尾水門噪聲頻域瀑布圖

由圖5～圖8可知，機(jī)組在負(fù)荷大于300 MW后出現(xiàn)的異常嘯叫聲是320 Hz左右頻率成分引起的，且隨著負(fù)荷的增加而增大，在550 MW負(fù)荷附近有最大值，在600 MW負(fù)荷處明顯減小，不過在負(fù)荷大于650 MW后，又出現(xiàn)了440 Hz左右頻率成分引發(fā)的高頻嘯叫聲。

水車室與尾水門噪聲中320 Hz左右頻率成分幅值相差不大，而蝸殼門噪聲中320 Hz左右頻率成分幅值約為水車室噪聲的一半，這說明，噪聲源在流道中的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪附近，考慮到嘯叫聲是320 Hz與440 Hz的高頻，且在300～550 MW負(fù)荷范圍內(nèi)嘯叫聲一直為320 Hz左右頻率，650～700 MW負(fù)荷范圍內(nèi)改為440 Hz左右頻率。因此可以推斷出320 Hz與440 Hz左右頻率是葉片出水邊的卡門渦與轉(zhuǎn)輪葉片的共振頻率。后來，轉(zhuǎn)輪葉片出水邊作了修型處理，異常嘯叫聲得到解決，這與推理分析相吻合。

3 應(yīng)用實(shí)例三

某機(jī)組運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的振動(dòng)與噪聲，嚴(yán)重威脅著機(jī)組的安全運(yùn)行。為了查明原因和分析解決問題，對機(jī)組進(jìn)行了一次變負(fù)荷試驗(yàn)。機(jī)組基本參數(shù)為：額定出力 700 MW，額定水頭84 m，機(jī)組轉(zhuǎn)速71.43 r/min，葉片數(shù) 15個(gè)，活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)22個(gè)。試驗(yàn)測點(diǎn)除壓力脈動(dòng)外，還測試了蝸殼門、水車室與尾水門處的噪聲，下面用噪聲信號來分析機(jī)組故障原因。

蝸殼門、水車室及尾水門處噪聲A聲級與有功功率關(guān)系如圖9所示，三處噪聲頻域瀑布圖如圖10～圖12所示。由圖9可知：機(jī)組噪聲A聲級隨有功功率總的變化趨勢是隨著有功功率的增加而增大，690 MW負(fù)荷時(shí)，水車室噪聲A聲級約為106 dBA，蝸殼門噪聲A聲級約為101 dBA，尾水門噪聲A聲級約為100 dBA，遠(yuǎn)超相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

圖9 機(jī)組噪聲A聲級與有功功率關(guān)系曲線

圖10 蝸殼門噪聲頻域瀑布圖

圖11 水車室噪聲頻域瀑布圖

圖12 尾水門噪聲頻域瀑布圖

由圖10～圖12可知，蝸殼門處噪聲的主頻為53.55 Hz，是3倍葉片過流頻率(3×葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻=3×15×1.19=53.55 Hz)，且隨著負(fù)荷的增大越發(fā)明顯；690 MW負(fù)荷時(shí)水車室噪聲主頻也為3倍葉片過流頻率，其分頻幅值與蝸殼門處噪聲相差不大；尾水門處噪聲中葉片過流頻率與3倍葉片過流頻率成分較小。由上可知，噪聲源位于流道中的轉(zhuǎn)輪與蝸殼之間。另外，機(jī)組噪聲隨著有功功率的增加而增大，也就是隨著流量(或?qū)~開度)的增加而增大，因此，可判定強(qiáng)烈的機(jī)組噪聲是由導(dǎo)葉處嚴(yán)重過流不均的水流，與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)靜干涉產(chǎn)生的。后來停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)有兩塊異物卡在了導(dǎo)葉處。取出后問題解決，這與噪聲分析結(jié)果相吻合。

4 結(jié) 語

(1)噪聲測試與分析是診斷水電機(jī)組故障行之有效的方法與手段。診斷故障時(shí)一般需通過分析噪聲的頻率成分來進(jìn)行。

(2)噪聲可以捕捉振動(dòng)擺度與壓力脈動(dòng)傳感器可能捕捉不到的信息，這可為機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)的診斷分析提供數(shù)據(jù)支撐，建議機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中增加噪聲測點(diǎn)。

(3)文中提到的三種故障及其噪聲特征可以為別的機(jī)組調(diào)試或運(yùn)行過程中碰到類似問題提供技術(shù)參考。

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[1] 何志鋒，孫建平．聲學(xué)測量在水電機(jī)組故障診斷中的應(yīng)用[C]∥ 第十八次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2011.

[2] 田鋒社．水輪機(jī)壓力脈動(dòng)測試的分析與探討[J]. 水利水電科技進(jìn)展，2006,(4).

[3] 李樹明．中小水力機(jī)組振動(dòng)分析及防治[J]．云南電力技術(shù)，2001,(11).

[4] 曹劍綿，陳昌林．大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪異常振動(dòng)及葉片裂紋分析[J]．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002.

[5] 茍東明，劉 順，鄭冬飛．大朝山水電站水輪機(jī)模型試驗(yàn)與現(xiàn)場測試[J]．水力發(fā)電，2003,(4).