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摘要：本文对某电站在一定运行水头、一定负荷区域内运行时，水轮机出现振动和噪声明显增大的现象进行了试验测试研究。测试结果表明：在稳定运行区域，蝶阀、蜗壳进人门和压力钢管振动和噪声均存在100Hz的频率，这是2倍叶片过流频率引起，其能量幅值不大，对机组稳定运行没有影响。某些负荷区域内出现异常振动、噪声的频率为55～80Hz左右，引起异常振动、噪声的原因是蝶阀活门过流不畅引发的流体激振，且该激振频率与压力钢管、活门50～84Hz固有频率接近，从而引发共振。其测试结果与分析结论对于水轮机的振动、噪声故障诊断及机组设计具有重要参考意义。
关键词：水轮机 振动 噪声
0引言 某水电站装有3台单机容量40MW的混流式水轮发电机组，蜗壳进口处采用公称直径为φ4200mm的蝶阀结构，3台机组于2008年先后投入运行。首台机组投入运行时，实际运行水头在59m～62m之间，机组运行较为平稳。当机组运行水头增至72m～80m时，在20MW～30MW负荷范围内，水轮机振动出现了明显增大现象，并有异常噪声，这给机组的安全稳定运行带来了隐患。为了分析查找异常振动、噪声产生的原因，特对其中的3#水轮机进行了振动、噪声、压力脉动和部件固有频率等试验测试研究。
1 机组性能参数
水轮机主要参数：
转轮型号： HL-1015-LJ-310
额定功率： 43.68MW
额定转速： 200r/min
最大水头： 80.5m
额定水头： 68.5m
最小水头： 65.0m
额定流量： 68.10m3/s
活动导叶个数： 24
转轮叶片个数： 15
发电机基本参数：
发电机型号： SF40-30-6500
额定容量： 70MVA
最大容量： 77.6MVA
额定功率： 40（47.06）MW
额定电压： 10.5kV
额定电流： 2.59kA
额定频率： 50Hz
额定功率因数： 0.85（滞后）
飞轮力矩： 3100 tm2
2 振动噪声试验方案
2.1 试验测试内容
为了全面评价水轮机的稳定性，分析查找异常振动、噪声产生的原因，本试验主要包括以下测试内容：
1）结构固有频率测试：用锤击法测试尾水管、蜗壳进人门、压力钢管、蝶阀阀体和活门固有频率。
2）振动测试：用加速度传感器测量顶盖、活动导叶、尾水管、蜗壳进人门、压力钢管和蝶阀等部位的振动幅值及频率。
3）噪声测试：用声学传感器测量水机室、蜗壳进人门和压力钢管处的噪声频率，并用噪声计测量水机室、蜗壳进人门和压力钢管处的噪声声压级。
4）压力脉动测试：用压力传感器测量压力钢管、蜗壳进口和尾水锥管内的压力脉动情况。
2.2 试验测试工况
结构固有频率的测试，要求机组处于停机且充水的状态。对于水轮机的振动、噪声和压力脉动的测试，要求机组在水头分别为80.5m，78m和74m三个水头下进行变负荷，并按41MW—35MW—30MW—25MW—20MW—15MW—10MW—5MW进行降负荷测试。
3 试验结果分析
试验过程中，我们首先对水轮机相关部件的结构固有频率进行了测试，结果见表1所示。除阀体固有频率较高外，其余部件固有频率主要集中在55～130Hz区间附近。
噪声是一种声音，声音是由物体的机械振动而产生的。振动的物体称为声源，它可以是固体、气体或液体。声音可以通过介质（空气、固体或液体）进行传播，形成声波。因此研究噪声要和振动结合起来考虑。本次测试中不但测量了噪声声压级，还同时将噪声和振动信号同时输入信号采集系统进行分析，噪声测量结果见表2、表3所列。
从表2、表3的结果可看出，排除低负荷区尾水管涡带的噪声，80.5米水头异常噪声出现在30MW负荷下，78米水头异常噪声出现在25MW负荷下，74米水头异常噪声消失。这说明异常噪声的出现与运行水位有关，随着水头的增加，异常噪声出现的负荷区也在增加。在80.5米和78米水头，负荷为25～30MW负荷时，蜗壳进人门噪声频率为56、83、95Hz左右，压力钢管噪声频率为66、79Hz左右，尾水管进人门处的噪声频率主要为68、75、86和95Hz左右。
对于振动和压力脉动的测量，因测量数据较多，本文没有详细列出各测点的频率和幅值，仅列出了振动随负荷变化的趋势以及我们所关心的频率，如表4和图1、图2所示。振动测量结果表明，在高水头25～30MW负荷下，出现异常振动，与出现异常噪声的负荷一致。且蜗壳进人门振动幅值最大，压力钢管次之。
图2显示的是出现异常振动噪声时压力脉动的频谱。从频谱图可看出，压力钢管和蜗壳进口除了低频的压力脉动外，还存在一个58Hz左右的高频压力脉动。低频主要是由涡带引起的，高频主要是活门出水边脱流频率引起。
4 结束语
本文通过对某电站水轮机振动、噪声及压力脉动的试验研究可看出：
1）在稳定运行区域，蝶阀、蜗壳进人门和压力钢管振动和噪声均存在100Hz的频率，这是2倍叶片过流频率引起，其能量幅值不大，对机组稳定运行没有影响。
2）高水头下、某些负荷区域内出现的异常振动、噪声是蝶阀活门过流不畅引发的流体激振，且该激振频率与压力钢管、活门固有频率接近，从而引发共振，并造成压力钢管和蜗壳进口出现高频压力脉动。高频压力脉动是由水轮机过流部分中流场不均匀和涡旋形成引起的。 这种脉动的振幅并不大，但可能引起高频振动，甚至在很小的振幅时这种高频振动对水轮机结构也是很危险的。
3）建议电站在相关国标的基础上，并综合考虑机组的振动、摆度、压力脉动与噪声等，将机组运行区域划分为禁止运行区、限制运行区与稳定性运行区三个运行区域。待机组小修时对活门进行适当修型处理。
[参考文献]
[1]庞立军，钟苏，卜良峰，胡建文.混流式水轮机异常噪声现场试验分析[J].振动与冲击，2012，14：39～42
[2]李启章. 大朝山电站转轮叶片的卡门涡共振[J]. 水电站机电技， 2005， 28（4）：76～79.
[3]张伟，吴玉林，陈乃祥，李承军.蓄能机组压力脉动测试研究[J].水利发电学报，2001，72（1）：72～78.
关键词：水轮机 振动 噪声
0引言 某水电站装有3台单机容量40MW的混流式水轮发电机组，蜗壳进口处采用公称直径为φ4200mm的蝶阀结构，3台机组于2008年先后投入运行。首台机组投入运行时，实际运行水头在59m～62m之间，机组运行较为平稳。当机组运行水头增至72m～80m时，在20MW～30MW负荷范围内，水轮机振动出现了明显增大现象，并有异常噪声，这给机组的安全稳定运行带来了隐患。为了分析查找异常振动、噪声产生的原因，特对其中的3#水轮机进行了振动、噪声、压力脉动和部件固有频率等试验测试研究。
1 机组性能参数
水轮机主要参数：
转轮型号： HL-1015-LJ-310
额定功率： 43.68MW
额定转速： 200r/min
最大水头： 80.5m
额定水头： 68.5m
最小水头： 65.0m
额定流量： 68.10m3/s
活动导叶个数： 24
转轮叶片个数： 15
发电机基本参数：
发电机型号： SF40-30-6500
额定容量： 70MVA
最大容量： 77.6MVA
额定功率： 40（47.06）MW
额定电压： 10.5kV
额定电流： 2.59kA
额定频率： 50Hz
额定功率因数： 0.85（滞后）
飞轮力矩： 3100 tm2
2 振动噪声试验方案
2.1 试验测试内容
为了全面评价水轮机的稳定性，分析查找异常振动、噪声产生的原因，本试验主要包括以下测试内容：
1）结构固有频率测试：用锤击法测试尾水管、蜗壳进人门、压力钢管、蝶阀阀体和活门固有频率。
2）振动测试：用加速度传感器测量顶盖、活动导叶、尾水管、蜗壳进人门、压力钢管和蝶阀等部位的振动幅值及频率。
3）噪声测试：用声学传感器测量水机室、蜗壳进人门和压力钢管处的噪声频率，并用噪声计测量水机室、蜗壳进人门和压力钢管处的噪声声压级。
4）压力脉动测试：用压力传感器测量压力钢管、蜗壳进口和尾水锥管内的压力脉动情况。
2.2 试验测试工况
结构固有频率的测试，要求机组处于停机且充水的状态。对于水轮机的振动、噪声和压力脉动的测试，要求机组在水头分别为80.5m，78m和74m三个水头下进行变负荷，并按41MW—35MW—30MW—25MW—20MW—15MW—10MW—5MW进行降负荷测试。
3 试验结果分析
试验过程中，我们首先对水轮机相关部件的结构固有频率进行了测试，结果见表1所示。除阀体固有频率较高外，其余部件固有频率主要集中在55～130Hz区间附近。
噪声是一种声音，声音是由物体的机械振动而产生的。振动的物体称为声源，它可以是固体、气体或液体。声音可以通过介质（空气、固体或液体）进行传播，形成声波。因此研究噪声要和振动结合起来考虑。本次测试中不但测量了噪声声压级，还同时将噪声和振动信号同时输入信号采集系统进行分析，噪声测量结果见表2、表3所列。
从表2、表3的结果可看出，排除低负荷区尾水管涡带的噪声，80.5米水头异常噪声出现在30MW负荷下，78米水头异常噪声出现在25MW负荷下，74米水头异常噪声消失。这说明异常噪声的出现与运行水位有关，随着水头的增加，异常噪声出现的负荷区也在增加。在80.5米和78米水头，负荷为25～30MW负荷时，蜗壳进人门噪声频率为56、83、95Hz左右，压力钢管噪声频率为66、79Hz左右，尾水管进人门处的噪声频率主要为68、75、86和95Hz左右。
对于振动和压力脉动的测量，因测量数据较多，本文没有详细列出各测点的频率和幅值，仅列出了振动随负荷变化的趋势以及我们所关心的频率，如表4和图1、图2所示。振动测量结果表明，在高水头25～30MW负荷下，出现异常振动，与出现异常噪声的负荷一致。且蜗壳进人门振动幅值最大，压力钢管次之。
图2显示的是出现异常振动噪声时压力脉动的频谱。从频谱图可看出，压力钢管和蜗壳进口除了低频的压力脉动外，还存在一个58Hz左右的高频压力脉动。低频主要是由涡带引起的，高频主要是活门出水边脱流频率引起。
4 结束语
本文通过对某电站水轮机振动、噪声及压力脉动的试验研究可看出：
1）在稳定运行区域，蝶阀、蜗壳进人门和压力钢管振动和噪声均存在100Hz的频率，这是2倍叶片过流频率引起，其能量幅值不大，对机组稳定运行没有影响。
2）高水头下、某些负荷区域内出现的异常振动、噪声是蝶阀活门过流不畅引发的流体激振，且该激振频率与压力钢管、活门固有频率接近，从而引发共振，并造成压力钢管和蜗壳进口出现高频压力脉动。高频压力脉动是由水轮机过流部分中流场不均匀和涡旋形成引起的。 这种脉动的振幅并不大，但可能引起高频振动，甚至在很小的振幅时这种高频振动对水轮机结构也是很危险的。
3）建议电站在相关国标的基础上，并综合考虑机组的振动、摆度、压力脉动与噪声等，将机组运行区域划分为禁止运行区、限制运行区与稳定性运行区三个运行区域。待机组小修时对活门进行适当修型处理。
[参考文献]
[1]庞立军，钟苏，卜良峰，胡建文.混流式水轮机异常噪声现场试验分析[J].振动与冲击，2012，14：39～42
[2]李启章. 大朝山电站转轮叶片的卡门涡共振[J]. 水电站机电技， 2005， 28（4）：76～79.
[3]张伟，吴玉林，陈乃祥，李承军.蓄能机组压力脉动测试研究[J].水利发电学报，2001，72（1）：72～78.