水轮机水压脉动

按其产生的原因，可分为尾水管涡带、叶栅绕流，卡门涡、迷宫环间隙变动、蜗壳或导水叶引水不均匀以及顶盖至尾水管的水力谐振等 。

(1)尾水管涡带引起的水压脉动。由于水轮机运行偏离设计工况，尤其在低负荷运行区域，转轮出口水流不是法向，水流的旋转引起强烈的漩涡流动而形成螺旋形的带状，称为涡带。从转轮出口一直延伸到尾水管时管底部，其形态随毛况的变化而变化，并以0.2~0.5倍机组转动频率的频率，按机组旋转方向围绕尾水管中心旋转，引起周期性的压力变化。

（2)转轮叶栅绕流弓}起的水压脉动。两相邻叶片间间隙及其进、出水口的流速和压力的不均匀分布，使转轮的上、下游水流产生扰动形成压力脉动。其幅值随转轮叶片数的减少或机组过流量的增加而增强，其濒率为叶片数与机组转动频率的乘积，且衰减较快。另外，在偏离最优工况后的小负荷区时，由于转轮叶片进、出口的水流冲击和脱流所引起的水压脉动，其幅值和频率的变化都是随机性的，都可能引起叶片的共振。 (3)卡门涡引起的水压脉动。恒定流束绕过物体时，在其后面的两侧出现漩涡，形成旋转方向相反、有规则交错排列的线涡，进而互相干扰、互相吸引形成非线性的涡列，俗称卡门涡。在水轮机固定导叶、活动导叶和转轮叶片等的出水边常产生卡门涡现象，当其出现频率接近于转动体的固有频率时，将产生共振并伴有较强的且频率比较单一的噪声和金属共鸣声。

(4)迷宫环间隙不匀引起的水压脉动。由于迷宫环动、静部分的偏心，使迷宫环转动部分和固定部分之间的间隙出现周期性的变化，其中将产生一个瞬时不均匀或中心不成对称的旋转压力场，而形成压力脉动。 (5)蜗壳或导水叶引水不匀引起的水压脉动。由于加工和安装误差，使导水叶叶片、流道的形状与尺寸差别较大时，对水流将产生扰动，扰动水流在进入转轮区时，就会与转轮发生冲击而引起压力脉动。在空载或低负荷运行时均能使机组产生强烈的振动。

（6)顶盖至尾水管的水力谐振。经过转轮上、下迷宫止漏装置漏入尾水针的水流，在一定水头和导水叶开度下将产生水力谐振而出现强水压脉动，引起顶盖和机组承重支架随机性的轴向高频振动和噪声。

(7)运行工况劣化所引起的水压脉动。如机组在高区运行，以及水轮机、水泵的起动、甩负荷、断电及飞逸等过渡工况运行时，其水压脉动的幅值比稳定运行时有显著增大。发电机的功率摆动亦将引起随机性的水压脉动。

对运行机组而言，改造其水下部件的结构将受到限制，可通过分析原型试验结果以了解水压脉动特性再采取针对性措施 。

①避开不稳定运行区，优选运行工况。

②在转轮上、下采取一些稳定水流的措施，如在转轮出口附近沿尾水管直锥段周围管壁上装设用以削弱尾水管内水流的圆周分量、破坏涡带的形成和发展的装置。

③向顶盖下方空腔补气，可利用大轴中心孔或尾水管中心补气装置进行自然补气或强迫补气，以减小涡带在尾水管断面上的偏心矩。

④通过配重处理或适当调整轴瓦间隙，以减小转动部分的运行摆度。

⑤减薄转轮叶片出水边的厚度及改变其形状，以改变卡门涡的颇率。或在转轮叶片间加支撑以改变叶片的固有频率，以免发生共振。

水轮机水压脉动是指水轮机过流通道中 ，水流压力围绕其平均值作交替性的随机变化。它是使水轮发电机组产生振动的主要原因之一，这类振动常具有随机性，且与水轮机的运行工况有关，尤其当混流式或轴流定桨式水轮机在远离最优工况的高水头、低负荷区运行时，尾水管内涡带引起的低频水压脉动，将浮致机组不能稳定运行，甚至使转轮遭到破坏，激起电站水工建筑物的振荡等。

为掌握水压脉动的规律，并分析它们对机组振动的具体影响，需选择适当的压力表或压力传感器，目前广泛应用的是压阻式传感器，它的灵敏度很高，无需放大器，其愉出可直接进行记录。用示波器或磁带记录仪记录测点信号随时间而变化的波形，并分析计算出各测点随工况变化的振幅与频率 。

由于不同原因引起的水压脉动的位置分布不同，因此测点应当选择在最能代表该种水压脉动特性的位置上，并均以流道壁面上的测量结果为依据，以便对比分析。例如。测尾水管涡带水压脉动时，测点应设在尾水管直锥段进口以下0.4~0.5倍转轮直径处的管壁上;分析叶栅绕流或卡门涡引起的水压脉动时，测点应设在转轮进、出口处。分析迷宫止水装置中的水压脉动时，测点应设在其高度的中部或进、出口处，分析发电机功率摆动时，测点应布置在压力钢管末端或蜗壳进口处。可按试验任务和现场具体施测条件取舍。

水压脉动的危害性已越来越受到人们的重视·然而实际测量中水压脉动频率非常低如刘家峡水电厂碧口水电厂机组在小开度和中开度振区由于低频水压脉动的作用使机组产生了

中文名称: 水压脉动 英文名称: water pressure pulsation 其他名称: 压力脉动 定义: 水流在水轮机流道中因紊动、旋涡

压力脉动常规压力脉动

(1)常规压力脉动是混流式水轮机正常运行情况下产生的，只要水轮机在一定的工况下运行，相应的常规压力脉动就必然产生。

(2)每个导叶开度区的常规压力脉动都有其一定的特征和规律，而且所有混流式水轮机都具有基本相同的特征和变化规律。

(3)涡带压力脉动是常规压力脉动中最重要的一个，它对机组稳定运行的影响需要进行具体分析。

(4)常规压力脉动的幅值随工况参数的变化是渐变式的，不会发生突然的变化。

(5)水轮机中的其他压力脉动虽然并不代表水轮机的水力稳定性，但可能会对机组的振动稳定性产生影响。

压力脉动异常压力脉动

1、异常压力脉动产生的充分条件

异常压力脉动是水体或水、气联合体共振产生的。异常压力脉动产生的充分条件是：①一定的工况条件；②尾水管水、气联合体的固有频率与尾水管同步压力脉动频率一致。

在不同工况下，两种频率具有不同的组合关系；而在不同的组合关系下，就可能产生不同的异常压力脉动。组合关系的产生和特性则间接反映水轮机特征参数选择和转轮水力与结构设计的水平和取向。

2、尾水管水、气联合体是最重要的共振体

在水电站和水轮机中，主要的共振水体有3处：引水管路水体、转轮与导叶之间无叶区环形水体和尾水管水、气联合体。其中，引水管路水体共振和无叶区环形水体共振不反映或不完全反映水轮机的水力稳定性。因此，尾水管中的水、气联合体是水轮机中最重要的共振体。已知的高部分负荷压力脉动、低部分负荷压力脉动、涡带频率的异常压力脉动等，都是它共振的结果。此外，在偏离最优工况的各种水轮机工况下，还有产生其他尾水管水、气联合体其振的可能性。

3、异常压力脉动的幅值

各种由水体共振产生的异常压力脉动幅值的巨大区别，基本原因在于共振水体振动特性的差别。

单一水体共振产生的异常压力脉动幅值最大，这是由于共振水体在常压下具有不可压缩和阻尼比较小的原因。

尾水管水、气联合体共振产生的异常压力脉动最大幅值比单一水体小，与尾水管中气体空腔的体积有关；体积越大，空腔的吸收缓冲作用越大，最大值越小，反之亦然。在模型水轮机中，高部分负荷压力脉动最大相对幅值可能达到30%；涡带频率的尾水管水、气联合体共振产生的最大相对幅值曾经达到40%。在原型水轮机中，其他小负荷区和大负荷区由尾水管水、气联合体共振产生的压力脉动最大相对值很少有超过20%的。

4、异常压力脉动的其他重要特征

共振工况区范围比较小，共振又使压力脉动幅值有很大的升幅，故共振区内压力脉动幅值表现为“陡起陡落”的特征，这也是它最大的外在特征。

在水轮机流道横断面上，异常压力脉动都具有同步特性，这也是对机组振动的影响主要表现在垂直振动上的主要原因。

1、水轮机运行偏离最优工况是压力脉动产生的基本原因

反映混流式水轮机水力稳定性的各种压力脉动都有其产生的具体原因。但是，综观这些常规和异常两种压力脉动产生的工况与机理可以看出，它们都是在水轮机偏离最优工况运行时产生的。这就是说．偏离最优工况运行是混流式水轮机压力脉动产生的基本原因。而在最优工况范围，几乎没有什么明显的压力脉动。

2、尾水管水流的圆周速度是压力脉动产生的决定性因素

从水轮机中水流的流动来看。偏离最优工况后，最大的变化是，转轮中水流和转轮出口水流产生了比较明显的圆周速度分量，而且这个圆周速度分量一直延伸到尾水管中。因此可以说，圆周速度分量的出现和变化规律是各种压力脉动产生和变化规律的基本条件与决定性因素。常规压力脉动和尾水管水、气联合体共振产生的异常压力脉动的产生机理都证明了这一点。这个因素和水轮机转轮的水力设计与结构设计有密切相关，也是转轮设计可以影响压力脉动的基本原因。

3、不同压力脉动是圆周速度产生压力脉动的方式和机理不同的结果

圆周速度分量产生压力脉动的具体方式和机理的不同，是产生各种不同压力脉动的基本原因。例如：

(1)圆周速度分量对转轮叶片进口的冲击产生了小开度区和大开度区的压力脉动。

(2)圆周速度分量与轴向速度分量的共同作用，形成了螺旋形旋进的涡带，继而产生了涡带压力脉动。

(3)尾水管中的圆周速度分量与肘管相互作用产生了同步压力脉动，并成为水轮机流道水体共振最重要的激发力。

(4)圆周速度分量是尾水管中心真空、气体空腔产生和变化的重要条件之一，由此而引起尾水管水、气联合体固有频率的变化，为共振创造了一方面的基本条件。

4、空化系数是压力脉动最重要的影响因素

空化系数或吸出高度是压力脉动，特别是异常压力脉动最重要的影响因素。它通过改变尾水管空腔体积（因而也就是改变涡核的直径和偏心距）来改变涡带压力脉动的幅值，补气消除共振的机理也在于此；它通过改变尾水管水、气联合体的固有频率影响水体共振的出现或消失。所有尾水管水、气联合体共振及其产生的压力脉动对空化系数十分敏感，也是由这个原因造成的。

除引起水、气联合体共振外，空化系数更多的影响是使联合体的动力响应系数发生变化。这是造成模型与原型水轮机涡带压力脉动幅值不相似的主要原因之一。

气体空腔的存在，也对尾水管压力脉动产生吸收和缓冲作用。这是尾水管水、气联合体共振产生的压力脉动幅值比引水管路水体共振小得多的主要原因。