壓力脈動(dòng)壓力脈動(dòng)產(chǎn)生原因與機(jī)理

1、水輪機(jī)運(yùn)行偏離最優(yōu)工況是壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的基本原因

反映混流式水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的各種壓力脈動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生的工況與機(jī)理可以看出，它們都是在水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的。這就是說．偏離最優(yōu)工況運(yùn)行是混流式水輪機(jī)壓力脈動(dòng)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(dòng)。

2、尾水管水流的圓周速度是壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的決定性因素

從水輪機(jī)中水流的流動(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)和尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理都證明了這一點(diǎn)。這個(gè)因素和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有密切相關(guān)，也是轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)可以影響壓力脈動(dòng)的基本原因。

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

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

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

(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(jìn)的渦帶，繼而產(chǎn)生了渦帶壓力脈動(dòng)。

(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(dòng)，并成為水輪機(jī)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(dòng)最重要的影響因素

空化系數(shù)或吸出高度是壓力脈動(dòng)，特別是異常壓力脈動(dòng)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(dòng)的幅值，補(bǔ)氣消除共振的機(jī)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(dòng)對(duì)空化系數(shù)十分敏感，也是由這個(gè)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(dòng)力響應(yīng)系數(shù)發(fā)生變化。這是造成模型與原型水輪機(jī)渦帶壓力脈動(dòng)幅值不相似的主要原因之一。

氣體空腔的存在，也對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)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(dòng)幅值比引水管路水體共振小得多的主要原因。

壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的主要方式有如下幾種。

(1)兩個(gè)周期性流場(chǎng)的偏心疊加。尾水管渦帶壓力脈動(dòng)就是這樣產(chǎn)生的。

(2)葉柵入流、出流不均勻及其組合。由活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片形成的各個(gè)葉道出口的流速、壓力分布不均勻產(chǎn)生的，由與其作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體或傳感器就會(huì)感知。

(3)水流對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的沖擊、脫流和次生水沖擊。當(dāng)葉片進(jìn)口的水流沖角不等于零或者繞流體迎水面的尺寸比較大時(shí)，這種情況就會(huì)產(chǎn)生并由此產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。

(4)轉(zhuǎn)輪葉片對(duì)進(jìn)口水流的撞擊。

(5)水體共振。水體共振是產(chǎn)生異常壓力脈動(dòng)的主要方式。

(6)流動(dòng)分離?？ㄩT渦是最典型的流動(dòng)分離現(xiàn)象之一。

(7)流道面積的周期性變化。迷宮壓力脈動(dòng)就是流道面積周期性變化引起壓力脈動(dòng)的典型例子。

(8)自激弓狀回旋引起的異常壓力脈動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)部分自激弓狀回旋時(shí)在轉(zhuǎn)輪迷宮間隙中引起的強(qiáng)烈壓力脈動(dòng)。

(9)管道振動(dòng)。引起管道中水體的壓力脈動(dòng)。

壓力脈動(dòng)常規(guī)壓力脈動(dòng)

(1)常規(guī)壓力脈動(dòng)是混流式水輪機(jī)正常運(yùn)行情況下產(chǎn)生的，只要水輪機(jī)在一定的工況下運(yùn)行，相應(yīng)的常規(guī)壓力脈動(dòng)就必然產(chǎn)生。

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

(3)渦帶壓力脈動(dòng)是常規(guī)壓力脈動(dòng)中最重要的一個(gè)，它對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響需要進(jìn)行具體分析。

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

(5)水輪機(jī)中的其他壓力脈動(dòng)雖然并不代表水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性，但可能會(huì)對(duì)機(jī)組的振動(dòng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

壓力脈動(dòng)異常壓力脈動(dòng)

1、異常壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的充分條件

異常壓力脈動(dòng)是水體或水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的。異常壓力脈動(dòng)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(dòng)頻率一致。

在不同工況下，兩種頻率具有不同的組合關(guān)系；而在不同的組合關(guān)系下，就可能產(chǎn)生不同的異常壓力脈動(dòng)。組合關(guān)系的產(chǎn)生和特性則間接反映水輪機(jī)特征參數(shù)選擇和轉(zhuǎn)輪水力與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)中，主要的共振水體有3處：引水管路水體、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)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(jī)的水力穩(wěn)定性。因此，尾水管中的水、氣聯(lián)合體是水輪機(jī)中最重要的共振體。已知的高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)、低部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)、渦帶頻率的異常壓力脈動(dòng)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(jī)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(dòng)的幅值

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

單一水體共振產(chǎn)生的異常壓力脈動(dòng)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(dòng)最大幅值比單一水體小，與尾水管中氣體空腔的體積有關(guān)；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(jī)中，高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)最大相對(duì)幅值可能達(dá)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(duì)幅值曾經(jīng)達(dá)到40%。在原型水輪機(jī)中，其他小負(fù)荷區(qū)和大負(fù)荷區(qū)由尾水管水、氣聯(lián)合體共振產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)最大相對(duì)值很少有超過20%的。

4、異常壓力脈動(dòng)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(dòng)幅值有很大的升幅，故共振區(qū)內(nèi)壓力脈動(dòng)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(jī)流道橫斷面上，異常壓力脈動(dòng)都具有同步特性，這也是對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響主要表現(xiàn)在垂直振動(dòng)上的主要原因。

(1)常規(guī)壓力脈動(dòng)可以增大機(jī)組的振動(dòng)、擺度和轉(zhuǎn)輪葉片的動(dòng)應(yīng)力，影響的程度主要取決于壓力脈動(dòng)幅值的大小和出現(xiàn)的工況范圍大??；尾水管同步壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響則通過它們激發(fā)的異常壓力脈動(dòng)表現(xiàn)出來。

常規(guī)壓力脈動(dòng)隨開度和水頭的變化是漸變式的．不會(huì)產(chǎn)生突然增大或減小的現(xiàn)象。

(2)異常壓力脈動(dòng)可以增大機(jī)組振動(dòng)和轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)應(yīng)力，影響的大小取決于壓力脈動(dòng)幅值和出現(xiàn)的工況范圍。但并不是所有的異常壓力脈動(dòng)區(qū)都是不可運(yùn)行的。

異常壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組固定支持部件的垂直振動(dòng)影響比較大是其重要特點(diǎn)和特征，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的動(dòng)應(yīng)力也有很大的影響。

(3)渦帶頻率的同步壓力脈動(dòng)及其激發(fā)的異常壓力脈動(dòng)都可以引起機(jī)組的功率擺動(dòng)。

脈動(dòng)流速有大有小，有正有負(fù)，為了比較不同點(diǎn)水流脈動(dòng)的強(qiáng)弱，常用脈動(dòng)流速的均方根來表示，稱脈動(dòng)強(qiáng)度。

一般是有脈動(dòng)輸出的泵（如隔膜泵、活塞泵、電磁泵、蠕動(dòng)泵等）出口的液體狀態(tài)，由于泵是周期性工作，出口流量是呈脈沖狀 。