水輪機水壓脈動

按其產(chǎn)生的原因，可分為尾水管渦帶、葉柵繞流，卡門渦、迷宮環(huán)間隙變動、蝸殼或?qū)~引水不均勻以及頂蓋至尾水管的水力諧振等 。

(1)尾水管渦帶引起的水壓脈動。由于水輪機運行偏離設計工況，尤其在低負荷運行區(qū)域，轉(zhuǎn)輪出口水流不是法向，水流的旋轉(zhuǎn)引起強烈的漩渦流動而形成螺旋形的帶狀，稱為渦帶。從轉(zhuǎn)輪出口一直延伸到尾水管時管底部，其形態(tài)隨毛況的變化而變化，并以0.2~0.5倍機組轉(zhuǎn)動頻率的頻率，按機組旋轉(zhuǎn)方向圍繞尾水管中心旋轉(zhuǎn)，引起周期性的壓力變化。

（2)轉(zhuǎn)輪葉柵繞流弓}起的水壓脈動。兩相鄰葉片間間隙及其進、出水口的流速和壓力的不均勻分布，使轉(zhuǎn)輪的上、下游水流產(chǎn)生擾動形成壓力脈動。其幅值隨轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的減少或機組過流量的增加而增強，其瀕率為葉片數(shù)與機組轉(zhuǎn)動頻率的乘積，且衰減較快。另外，在偏離最優(yōu)工況后的小負荷區(qū)時，由于轉(zhuǎn)輪葉片進、出口的水流沖擊和脫流所引起的水壓脈動，其幅值和頻率的變化都是隨機性的，都可能引起葉片的共振。 (3)卡門渦引起的水壓脈動。恒定流束繞過物體時，在其后面的兩側(cè)出現(xiàn)漩渦，形成旋轉(zhuǎn)方向相反、有規(guī)則交錯排列的線渦，進而互相干擾、互相吸引形成非線性的渦列，俗稱卡門渦。在水輪機固定導葉、活動導葉和轉(zhuǎn)輪葉片等的出水邊常產(chǎn)生卡門渦現(xiàn)象，當其出現(xiàn)頻率接近于轉(zhuǎn)動體的固有頻率時，將產(chǎn)生共振并伴有較強的且頻率比較單一的噪聲和金屬共鳴聲。

(4)迷宮環(huán)間隙不勻引起的水壓脈動。由于迷宮環(huán)動、靜部分的偏心，使迷宮環(huán)轉(zhuǎn)動部分和固定部分之間的間隙出現(xiàn)周期性的變化，其中將產(chǎn)生一個瞬時不均勻或中心不成對稱的旋轉(zhuǎn)壓力場，而形成壓力脈動。 (5)蝸殼或?qū)~引水不勻引起的水壓脈動。由于加工和安裝誤差，使導水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大時，對水流將產(chǎn)生擾動，擾動水流在進入轉(zhuǎn)輪區(qū)時，就會與轉(zhuǎn)輪發(fā)生沖擊而引起壓力脈動。在空載或低負荷運行時均能使機組產(chǎn)生強烈的振動。

（6)頂蓋至尾水管的水力諧振。經(jīng)過轉(zhuǎn)輪上、下迷宮止漏裝置漏入尾水針的水流，在一定水頭和導水葉開度下將產(chǎn)生水力諧振而出現(xiàn)強水壓脈動，引起頂蓋和機組承重支架隨機性的軸向高頻振動和噪聲。

(7)運行工況劣化所引起的水壓脈動。如機組在高區(qū)運行，以及水輪機、水泵的起動、甩負荷、斷電及飛逸等過渡工況運行時，其水壓脈動的幅值比穩(wěn)定運行時有顯著增大。發(fā)電機的功率擺動亦將引起隨機性的水壓脈動。

對運行機組而言，改造其水下部件的結(jié)構(gòu)將受到限制，可通過分析原型試驗結(jié)果以了解水壓脈動特性再采取針對性措施 。

①避開不穩(wěn)定運行區(qū)，優(yōu)選運行工況。

②在轉(zhuǎn)輪上、下采取一些穩(wěn)定水流的措施，如在轉(zhuǎn)輪出口附近沿尾水管直錐段周圍管壁上裝設用以削弱尾水管內(nèi)水流的圓周分量、破壞渦帶的形成和發(fā)展的裝置。

③向頂蓋下方空腔補氣，可利用大軸中心孔或尾水管中心補氣裝置進行自然補氣或強迫補氣，以減小渦帶在尾水管斷面上的偏心矩。

④通過配重處理或適當調(diào)整軸瓦間隙，以減小轉(zhuǎn)動部分的運行擺度。

⑤減薄轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的厚度及改變其形狀，以改變卡門渦的頗率?；蛟谵D(zhuǎn)輪葉片間加支撐以改變?nèi)~片的固有頻率，以免發(fā)生共振。

水輪機水壓脈動是指水輪機過流通道中 ，水流壓力圍繞其平均值作交替性的隨機變化。它是使水輪發(fā)電機組產(chǎn)生振動的主要原因之一，這類振動常具有隨機性，且與水輪機的運行工況有關，尤其當混流式或軸流定槳式水輪機在遠離最優(yōu)工況的高水頭、低負荷區(qū)運行時，尾水管內(nèi)渦帶引起的低頻水壓脈動，將浮致機組不能穩(wěn)定運行，甚至使轉(zhuǎn)輪遭到破壞，激起電站水工建筑物的振蕩等。

為掌握水壓脈動的規(guī)律，并分析它們對機組振動的具體影響，需選擇適當?shù)膲毫Ρ砘驂毫鞲衅?，目前廣泛應用的是壓阻式傳感器，它的靈敏度很高，無需放大器，其愉出可直接進行記錄。用示波器或磁帶記錄儀記錄測點信號隨時間而變化的波形，并分析計算出各測點隨工況變化的振幅與頻率 。

由于不同原因引起的水壓脈動的位置分布不同，因此測點應當選擇在最能代表該種水壓脈動特性的位置上，并均以流道壁面上的測量結(jié)果為依據(jù)，以便對比分析。例如。測尾水管渦帶水壓脈動時，測點應設在尾水管直錐段進口以下0.4~0.5倍轉(zhuǎn)輪直徑處的管壁上;分析葉柵繞流或卡門渦引起的水壓脈動時，測點應設在轉(zhuǎn)輪進、出口處。分析迷宮止水裝置中的水壓脈動時，測點應設在其高度的中部或進、出口處，分析發(fā)電機功率擺動時，測點應布置在壓力鋼管末端或蝸殼進口處?？砂丛囼炄蝿蘸同F(xiàn)場具體施測條件取舍。

水壓脈動的危害性已越來越受到人們的重視·然而實際測量中水壓脈動頻率非常低如劉家峽水電廠碧口水電廠機組在小開度和中開度振區(qū)由于低頻水壓脈動的作用使機組產(chǎn)生了

中文名稱: 水壓脈動 英文名稱: water pressure pulsation 其他名稱: 壓力脈動 定義: 水流在水輪機流道中因紊動、旋渦

壓力脈動常規(guī)壓力脈動

(1)常規(guī)壓力脈動是混流式水輪機正常運行情況下產(chǎn)生的，只要水輪機在一定的工況下運行，相應的常規(guī)壓力脈動就必然產(chǎn)生。

(2)每個導葉開度區(qū)的常規(guī)壓力脈動都有其一定的特征和規(guī)律，而且所有混流式水輪機都具有基本相同的特征和變化規(guī)律。

(3)渦帶壓力脈動是常規(guī)壓力脈動中最重要的一個，它對機組穩(wěn)定運行的影響需要進行具體分析。

(4)常規(guī)壓力脈動的幅值隨工況參數(shù)的變化是漸變式的，不會發(fā)生突然的變化。

(5)水輪機中的其他壓力脈動雖然并不代表水輪機的水力穩(wěn)定性，但可能會對機組的振動穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

壓力脈動異常壓力脈動

1、異常壓力脈動產(chǎn)生的充分條件

異常壓力脈動是水體或水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的。異常壓力脈動產(chǎn)生的充分條件是：①一定的工況條件；②尾水管水、氣聯(lián)合體的固有頻率與尾水管同步壓力脈動頻率一致。

在不同工況下，兩種頻率具有不同的組合關系；而在不同的組合關系下，就可能產(chǎn)生不同的異常壓力脈動。組合關系的產(chǎn)生和特性則間接反映水輪機特征參數(shù)選擇和轉(zhuǎn)輪水力與結(jié)構(gòu)設計的水平和取向。

2、尾水管水、氣聯(lián)合體是最重要的共振體

在水電站和水輪機中，主要的共振水體有3處：引水管路水體、轉(zhuǎn)輪與導葉之間無葉區(qū)環(huán)形水體和尾水管水、氣聯(lián)合體。其中，引水管路水體共振和無葉區(qū)環(huán)形水體共振不反映或不完全反映水輪機的水力穩(wěn)定性。因此，尾水管中的水、氣聯(lián)合體是水輪機中最重要的共振體。已知的高部分負荷壓力脈動、低部分負荷壓力脈動、渦帶頻率的異常壓力脈動等，都是它共振的結(jié)果。此外，在偏離最優(yōu)工況的各種水輪機工況下，還有產(chǎn)生其他尾水管水、氣聯(lián)合體其振的可能性。

3、異常壓力脈動的幅值

各種由水體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動幅值的巨大區(qū)別，基本原因在于共振水體振動特性的差別。

單一水體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動幅值最大，這是由于共振水體在常壓下具有不可壓縮和阻尼比較小的原因。

尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動最大幅值比單一水體小，與尾水管中氣體空腔的體積有關；體積越大，空腔的吸收緩沖作用越大，最大值越小，反之亦然。在模型水輪機中，高部分負荷壓力脈動最大相對幅值可能達到30%；渦帶頻率的尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的最大相對幅值曾經(jīng)達到40%。在原型水輪機中，其他小負荷區(qū)和大負荷區(qū)由尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的壓力脈動最大相對值很少有超過20%的。

4、異常壓力脈動的其他重要特征

共振工況區(qū)范圍比較小，共振又使壓力脈動幅值有很大的升幅，故共振區(qū)內(nèi)壓力脈動幅值表現(xiàn)為“陡起陡落”的特征，這也是它最大的外在特征。

在水輪機流道橫斷面上，異常壓力脈動都具有同步特性，這也是對機組振動的影響主要表現(xiàn)在垂直振動上的主要原因。

1、水輪機運行偏離最優(yōu)工況是壓力脈動產(chǎn)生的基本原因

反映混流式水輪機水力穩(wěn)定性的各種壓力脈動都有其產(chǎn)生的具體原因。但是，綜觀這些常規(guī)和異常兩種壓力脈動產(chǎn)生的工況與機理可以看出，它們都是在水輪機偏離最優(yōu)工況運行時產(chǎn)生的。這就是說．偏離最優(yōu)工況運行是混流式水輪機壓力脈動產(chǎn)生的基本原因。而在最優(yōu)工況范圍，幾乎沒有什么明顯的壓力脈動。

2、尾水管水流的圓周速度是壓力脈動產(chǎn)生的決定性因素

從水輪機中水流的流動來看。偏離最優(yōu)工況后，最大的變化是，轉(zhuǎn)輪中水流和轉(zhuǎn)輪出口水流產(chǎn)生了比較明顯的圓周速度分量，而且這個圓周速度分量一直延伸到尾水管中。因此可以說，圓周速度分量的出現(xiàn)和變化規(guī)律是各種壓力脈動產(chǎn)生和變化規(guī)律的基本條件與決定性因素。常規(guī)壓力脈動和尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動的產(chǎn)生機理都證明了這一點。這個因素和水輪機轉(zhuǎn)輪的水力設計與結(jié)構(gòu)設計有密切相關，也是轉(zhuǎn)輪設計可以影響壓力脈動的基本原因。

3、不同壓力脈動是圓周速度產(chǎn)生壓力脈動的方式和機理不同的結(jié)果

圓周速度分量產(chǎn)生壓力脈動的具體方式和機理的不同，是產(chǎn)生各種不同壓力脈動的基本原因。例如：

(1)圓周速度分量對轉(zhuǎn)輪葉片進口的沖擊產(chǎn)生了小開度區(qū)和大開度區(qū)的壓力脈動。

(2)圓周速度分量與軸向速度分量的共同作用，形成了螺旋形旋進的渦帶，繼而產(chǎn)生了渦帶壓力脈動。

(3)尾水管中的圓周速度分量與肘管相互作用產(chǎn)生了同步壓力脈動，并成為水輪機流道水體共振最重要的激發(fā)力。

(4)圓周速度分量是尾水管中心真空、氣體空腔產(chǎn)生和變化的重要條件之一，由此而引起尾水管水、氣聯(lián)合體固有頻率的變化，為共振創(chuàng)造了一方面的基本條件。

4、空化系數(shù)是壓力脈動最重要的影響因素

空化系數(shù)或吸出高度是壓力脈動，特別是異常壓力脈動最重要的影響因素。它通過改變尾水管空腔體積（因而也就是改變渦核的直徑和偏心距）來改變渦帶壓力脈動的幅值，補氣消除共振的機理也在于此；它通過改變尾水管水、氣聯(lián)合體的固有頻率影響水體共振的出現(xiàn)或消失。所有尾水管水、氣聯(lián)合體共振及其產(chǎn)生的壓力脈動對空化系數(shù)十分敏感，也是由這個原因造成的。

除引起水、氣聯(lián)合體共振外，空化系數(shù)更多的影響是使聯(lián)合體的動力響應系數(shù)發(fā)生變化。這是造成模型與原型水輪機渦帶壓力脈動幅值不相似的主要原因之一。

氣體空腔的存在，也對尾水管壓力脈動產(chǎn)生吸收和緩沖作用。這是尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的壓力脈動幅值比引水管路水體共振小得多的主要原因。