水轮机尾水管内部水压力脉动论文

水轮机尾水管内部水压力脉动论文

【摘要】水轮机尾水管内部的水压力脉动是造成水轮机机组发电效益和稳定运行的重要因素之一，通过本文的研究发现，尾水管涡带的主要涡量来源于水轮机泄水锥和转轮上冠，这对尾水管内部的水压力脉动的预测和控制起着很重要的作用。

【关键词】水轮机；尾水管；压力脉动；涡带

1.引言

2013年柘林水电厂二号机组出现异常振动，经检查发现机组振动主要由水力干扰引起，而水力干扰一般有机组过流部件的流道不均匀造成的水力随机振动，上下止漏环间隙不对称产生的自激振动、高水头低负荷尾水涡带引起的低频振动。通过停机与带负荷试验，检查主轴密封，并对尾水压力、机组振动频率、顶盖压力测量结果进行分析，上游水位60.72m，下游水位24.80m，在尾水管内出现中心压力低，四周压力高的偏心涡带，引起尾水管内水流的低频压力脉动，它传递到尾水管臂、转轮、顶盖、导水机构、蜗壳，引起有关部件（管）的振动或摆动，为此产生涡带振动。

2.尾水管内部水压力脉动研究

2.1部分负荷

2.1.1涡带的表现

起源于泄水锥的水轮机尾水管涡带呈现螺旋状，而且轮转转向和旋转方向，此时，尾水管涡带导致水轮机的其他部位产生较大的脉动，还会产生水轮机的出力波动和巨大的轴向推力。尾水管内螺旋状涡带如图1所示。

2.1.2尾水管内的压力分布

尾水管内按照时间平均的压力是向中心不断减小的，由于不对称涡带的存在，水流也是不对称的，尾水管内同一半径上的压力分布趋势只能通过瞬时测得的压力反应，涡核内部空腔外的区域压力沿半径减小的方向快速降低，涡核外部压力沿半径减小的方向缓速减小。而且空蚀工况下的压力比非空蚀工况下的压力降低的小，沿着尾水管的中心，大半径段压力的最大值出现在弯肘段处，小半径压力的最大值出现在直锥段处。

2.1.3压力脉动的频率

在部分负荷下，f转总是大于f涡，自由水面、吸出高度、水头对频率的影响可以忽略不计，这两个频率的实际测量比值一般在0.26-0.39之间。

2.1.4振动的振幅

（1）试验水头的影响。在空蚀系数和工况点保持不变的情况下，振动振幅在相当宽的范围内是相同的，与试验水头是无关的。（2）

自由水面的影响。由于尾水箱顶部气垫具有缓冲作用，因此在吸上真空高度不变的情况下，尾水位对力矩脉动和水压力脉动是没有影响的。（3）吸出高度的影响。由于汽水混合物和过度空蚀阻尼作用和较强的稳定性，工况点保持不变的前提下，在高吸上真空高度值时，脉动的振幅在很大的范围内都是一个常数，脉动的振幅随着吸上真空高度值的减小而增加。（4）补气的影响。在吸上真空高度值比较高的情况下，补气后力矩脉动和压力脉动的振幅明显大于没有补气时脉动的振幅。而在有强烈的空腔涡带存在，吸上真空高度值较小的情况下，补气后力矩脉动和压力脉动的振幅明显小于没有补气时脉动的振幅。水压力脉动最强的测点，补气后压力脉动振幅下降的最大。

2.1.5脉动相位的关系

测点之间几何上的角度与脉动相位是不相等的，在没有补气且吸上真空高度值的情况下，有的测点相位之间甚至相差90度。转轮下游和上游相位一般相差20度。

2.1.6螺旋涡带对转轮、蜗壳和钢管内水流的影响

尾水管内部的水压力脉动会对通过转轮的水流、蜗壳的水流和压力钢管中的水流造成一定影响，水流的频率与涡带旋转的频率相同，还会引发钢管剧烈震动。在工况点远离无旋出流线时，由于在泄水锥部位，涡带偏心距增大，导致临近叶道内水流量减小，转轮中和住转轮前的水压力脉动会增大。

2.2超负荷和满负荷

2.2.1涡带的表现。涡带在超负荷下和满负荷以管状的形式出现，涡带的频率远远大于转轮的频率，有时甚至是转轮频率的6倍，超负荷和满负荷下的涡带比部分符合下的涡带细得多，它不会像螺旋涡带一样给尾水管带来很严重的影响和冲击。2.2.2空蚀特性。超负荷下的空蚀特性与一般情况有很大不同，超负荷下，水轮机效率下降的临界空蚀系数比额定工况时要大，转轮叶片的初生空蚀系数比额定工况时也要大，但是在超负荷现象持续加重时，初生空蚀系数却小于临界空蚀系数。在较大的空蚀系数时，虽然看不到转轮叶片的空蚀现象，但是水轮机的效率已经在下降了，此时降低空蚀系数，转轮叶片会慢慢出现空蚀现象，在此基础上继续降低空蚀系数，转轮叶片的空蚀现象也不会更加严重。如果超负荷比例继续增大，那么在最小可能空蚀系数时，转轮叶片也有可能不产生空蚀现象。

3.消除尾水管涡带的措施

3.1控制涡带偏心距离 可以通过加入同轴扩散管来达到控制涡带偏心距离的目的，但是这种方法在现实中采用的不多。

3.2引入适当阻尼 引入阻尼可以破坏涡带运动，起到消除尾水管涡带的作用，引入阻尼最常用的方法就是补气，气泡具有阻尼作用，但是补气时要严格控制补气的量，将额定流量的2%的气量充进尾水管，会起到消除振动的作用，将额定流量的1%的气量充进尾水管，会起到减轻振动的作用，但是补气量太小时，反而会增加振动，因此，

补气的量一定要适当。要注意的是，气泡的阻尼作用不仅与相对容积有关还与气泡直径和绝对容积有关。

3.3改变水流的运动状况 可以通过在尾水管内部设置十字补气架或是三角补气架来到改变水流运动状况的目的，设置十字补气架和三角补气架一般和引入阻尼同时进行，还可以在尾水管直锥段加阻水漏或加筋板，这些附加物虽然可以消除或减小涡带，但会增加噪声，还会降低结构强度。以柘林电厂2号机水轮机为例，它是一台4万5机组，空载状态下机组2.8万时机组振动最大；带负荷机组1.3万时机组振动最大，这时通过十字补气架补气能极好的减小压力脉动。

3.4改进转轮的叶型设计 转轮的叶型设计会直接影响到尾水管的进口流态，因此，在进行转轮的设计时，不仅要使转轮有较高的速率，还要提高转轮的稳定性。

4.结束语

水轮机尾水管内部的水压力脉动是造成水轮机机组发电效益和稳定运行的重要因素之一，通过本文的研究发现，尾水管涡带的主要涡量来源于水轮机泄水锥和转轮上冠，这对尾水管内部的水压力脉动的预测和控制起着很重要的作用。同时，水轮机尾水管肘管之后的水压力脉动与尾水管自身的形状也有很大关系，水轮机尾水管内部在不同位置、不同工况下的水压力脉动在时域及频域上的变化规律，对涡带的形成机理进行深入的分析和研究。

参考文献

[1]黄健和.混流式水轮机运行稳定性试验的相似性.水利快报，2004（18）：17-21

[2]吴刚.大水头变幅工况下混流式水轮机尾水管水压力脉动分析

[J].发电设备，

2010，（4）：22-27

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3524.html