[科普中国]-水轮机水压脉动

简介

水轮机水压脉动是指水轮机过流通道中2，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。

水轮机水压脉动的成因按其产生的原因，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3。

(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。

水压脉动的测量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2。

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。

减轻水压脉动的措施对运行机组而言，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3。

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。