36 尾水管壓力脈動淺析

1、尾水管壓力脈動淺析184尾水管壓力脈動淺析尾水管壓力脈動淺析(美)FalveyHT[摘要摘要]尾水管是水輪機的組成部分，它的性能會影響機組的效率?；炝魇剿啓C尾水管中的不穩(wěn)定流動，即所謂的壓力脈動，會引起功率的擺動和振動。了解這種脈動有助于對其進行有效地預(yù)防。[關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞]混流式水輪機；尾水管；壓力脈動混流式水輪機過流部分由蝸殼、固定導(dǎo)葉、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管組成。圖l為這些部件的組合圖。蝸殼、固定導(dǎo)葉和導(dǎo)葉引導(dǎo)水流以最小的能量損失進入

2、轉(zhuǎn)輪。導(dǎo)葉控制通過水輪機的流量。尾水管呈擴散形，用來增加水輪機的凈水頭，從而獲得更多的能量。圖l由蝸殼、固定導(dǎo)葉、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管組成的混流式水輪機裝置(尾水管的性能會影響機組的綜合效率)水輪機的功率等于轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)換的動量矩。在最高效率點，離開轉(zhuǎn)輪的動量矩理論上應(yīng)等于零，即水流流出轉(zhuǎn)輪進入尾水管時是無旋的。但實際上，在最高效率點，水流具有小的環(huán)量，然而這種小的環(huán)量引起的轉(zhuǎn)輪效率損失比由尾水管效率增加的補償要大。部分負荷時，進入尾水管的水流

3、和轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)方向相同；過負荷時，水流的旋轉(zhuǎn)方向則和轉(zhuǎn)輪相反。如果進入尾水管的環(huán)量過大，就會發(fā)展成不穩(wěn)定的尾水管壓力脈動。尾水管壓力脈動在部分負荷和過負荷工況都能發(fā)生，它會引起壓力脈動，從而導(dǎo)致功率擺動、噪聲、壓力鋼管共振和振動。文中，作者試圖提供一篇有關(guān)尾水管壓力脈動的近代情況綜述。1969年前，對尾水管壓力脈動僅知道兩點：第一，壓力脈動是由尾水管中螺旋形渦帶引起的；第二，壓力脈動預(yù)期的頻率和有關(guān)現(xiàn)象可以用一個公式來計算。這個公式是由A

4、C(AllisChalmers)公司的試驗工程師RheingansWI提出的。(1)cnf?式中f——壓力脈動的頻率，Hz；n——水輪機轉(zhuǎn)速，rs；c——32～4.0之間的某一數(shù)值。1969年，密蘇里哥倫比亞大學(xué)教授CassidyJJ，從事一項丹佛墾務(wù)局的福特基金項目，旨在加深對尾水管壓力脈動的認識。他將尾水管壓力脈動現(xiàn)象、頻率和振幅與水輪機流量和幾何形狀參數(shù)聯(lián)系起來，試驗是利用空氣作為介質(zhì)進行的。利用空氣作介質(zhì)，在變工況時，不會因出現(xiàn)

5、空化對試驗結(jié)果產(chǎn)生附加影響。研究發(fā)現(xiàn)，一根直管內(nèi)的純軸向水流是十分穩(wěn)定的。但旋轉(zhuǎn)水流會使靠近管壁的流速增加，中心的軸向流速減小。隨著旋轉(zhuǎn)的增加，流線的徑向圖象會產(chǎn)生變形。圖2為尾水管壓力脈動的流態(tài)發(fā)展情況。在尾水管壓力脈動變化發(fā)展中，尾水管中心線處首先產(chǎn)生一駐點，水流從上游和下游流向這個駐點。駐點的進一步發(fā)展通常稱為渦帶潰裂(VtexBreakdown)。隨著旋轉(zhuǎn)的進一步增加，駐點逆流向尾水管進口運動。在喉管內(nèi)，水流變成螺旋狀，旋進回流

6、區(qū)。這種渦帶會在尾水管中產(chǎn)生壓力脈動。尾水管壓力脈動淺析186s一導(dǎo)葉流道的最小寬度(導(dǎo)葉開度)R一導(dǎo)葉開度中心線的半徑y(tǒng)一導(dǎo)葉水流速度a一水流矢量和半徑的夾角（3）2221111222sinDQgDPBNSDRQD???????上述方程的左邊項是渦帶參數(shù)，表示進入尾水管水流的相對環(huán)量。水輪機特性如功率、流量和轉(zhuǎn)速可用下述三個方程式表示功率(4)232211HDPP?流量(5)HDQQ42211?轉(zhuǎn)速(6)gHnD2602???式中D2

7、————水輪機轉(zhuǎn)輪喉徑，m；g——重力加速度，ms2；H——水輪機水頭，m；N——水輪機轉(zhuǎn)速，rmin；P——水輪機出力，W；Q——流量，m3s。用式(3)求得的渦帶參數(shù)和模型試驗得出的尾水管脈動特性，可以預(yù)測具體水輪機裝置的壓力脈動性能。這一方法通稱為渦帶參數(shù)法。作者及CassidyJJ提出了預(yù)測尾水管壓力脈動的渦帶參數(shù)法，因為在頻譜分析投入商業(yè)應(yīng)用之前，研究工作者在模型試驗時，還不能測量水輪機的壓力脈動特性。目前，研究工作者已將壓力

8、脈動特性作為模型試驗的常規(guī)測試項目。盡管這一方法的適用性有限，但這種方法有助于理解為什么總是在混流式水輪機上發(fā)生壓力脈動問題。‘對給定的尾水管，發(fā)現(xiàn)壓力脈動的頻率和振幅是渦帶參數(shù)的函數(shù)。模型試驗使用的只是一套固定導(dǎo)葉和導(dǎo)葉，只能確定所配尾水管的壓力脈動振幅和頻率。研究工作的一個重要發(fā)現(xiàn)是，脈動開始時的渦帶參數(shù)約是0.3。脈動特性評述脈動特性評述從技術(shù)角度看，尾水管壓力脈動是不穩(wěn)定激振的結(jié)果，而不穩(wěn)定激振又給不穩(wěn)定流動一個放大的反饋作用。

9、在尾水管壓力脈動中，反饋作用的產(chǎn)生是由于尾水管軸線處回流的結(jié)果。反饋作用的參數(shù)由特征長度、振型和特征速度來確定。在研究中，UldisPalde發(fā)現(xiàn)尾水管錐管形狀對脈動頻率和振幅的影響最為明顯。于是，尾水管錐管的長度可用來作為特征長度。圖4表示尾水管錐管中可能的幾種振型，這些振型是三維的，即在尾水管中象螺旋一樣。特征速度是指尾水管軸線處的回流速度。振型1振型2振型3圖4尾水管錐管中可能出現(xiàn)的三種振型模式圖4中的三維振型模式像螺旋一樣出現(xiàn)在