谈混流式水轮机尾水管压力脉动
[摘要]发电厂所关心的三大问题是效率、稳定性和空化空蚀。而目前，水轮机的效率已经达到90%以上，抗空蚀性能也大幅提升，因此水轮机的稳定性显得越来越重要。水轮机尾水管压力脉动是影响机组稳定性的主要因素之一，其不仅会引起机组的振动、出力摆动、叶片裂纹和尾水管壁撕裂等，当压力脉动剧烈时甚至会引起相近机组或厂房的共振，直接威胁到电站的安全运行。
[关键词]混流式水轮机；尾水管；压力脉动；涡带
StudyonthepressurepulseintheDraftTubeOfFrancisTurbineKeyWords:Francisturbine;drafttube;pressurefluctuation;vortex
Abstract:ThepressurepulseinthedrafttubeofFrancisturbinebringsontheunsteadyoperationforhydro_powerunit.Moreover,theseverepressurepulsewillthreatenthesafetyofpowerstation.Researcheshaveunveiledthattheeddyinthedrafttubeistheprincipalreasontotheunitvibration.Soitisimportanttosolvetheproblemofpressurepulsebasedonthestudyofvortex.
一、压力脉动
压力脉动是相对循环压力脉动而言的，所谓压力脉动就是压力不
均匀的作用于被作用对象上，在某个部位有集中或是较大的压力，且这种压力单次持续的时间不长，有可能呈现一定的周期性。比如：一个圆柱体放在静止的水中时，在同一深度的各个径向上，圆柱体受的是对称的压力，而如果把圆柱体放在海滩上，浪花每打一下，圆柱体迎向浪花的一面所受的就是脉动压力了。
脉动就是在水中的某个位置某段时间压力变化。水是流动的，而非静止的。一般水轮机等利用水资源的设备需要监测压力脉动。
二、尾水管压力脉动
尾水管是机组能量回收的重要部件，对机组的整体能量特性和稳定运行具有很大的影响，其内部水流从垂直方向转向水平方向，流动受到离心力的作用而存在二次流，且过流段沿流向存在扩散、收缩、再扩散的过程，流动极为复杂。因此对尾水管振动的研究仍以模型机的实验为主。虽然计算流体力学(CFD)近年来发展很快，但因为尾水管流动的复杂性，伴随着起泡的产生和溃灭，使得尾水管内的水流呈三维的气液两相流状态，难以建立较为真实的数学模型，计算结果也不精确。
2.1尾水管涡带产生的原因
尾水管压力脉动是力特征，尾水管涡带是流动特征，但是两者关系密切。涡带是脉动的根源。
目前关于尾水管涡带产生的原因，学术界主要有两种观点。一种是福尔维等认为的，由“涡带的突变”产生的。他们引用圆管中的旋转
水流引起的不稳定现象解释尾水管的振动。当圆管中水流的轴向速度与圆周速度的比值小于某个数值时，管道中出现涡带，但此时的涡带是对称稳定的，并不引起尾水管的振动，此时成为第一次突变。再当这个值继续下降到某个值时，涡带出现不对称，变得不稳定，尾水管的压力脉动就出现了。这就是第二次突变。
另一种观点是拉贝等代表的，他们认为转轮出口的旋转水流在尾水管中生成回流，当回流到达转轮区后，在转轮的影响下，又在尾水管中生成强制涡，此涡在蜗壳——导叶——转轮水流不对称下发生偏心，涡流的偏心引起涡流的旋转流动，形成了所谓的螺旋状涡带。上述第一种观点忽略了转轮的作用，是不切合实际的。目前第二种观点较为容易接受，根据这种理论，特别是机组在偏离最优工况运行时，尾水管的水流夹带着空化气泡，在离心力的作用下，形成同水流共同旋进的尾水管涡带，涡带在周期性非平衡因素的影响下产生偏心，这种偏心涡带大大降低水轮机效率，当其诱发的压力脉动频率接近机组的某个固有频率时，将引起强烈共振。
2.2涡带的种类
尾水管中的涡带主要有三种形式：第一种为实心涡带，在接近最有工况区产生；第二种为稳定的空腔涡带，像一条大尾巴在尾水管中甩来甩去；第三种为变化的空腔涡带，有时会有数个交替产生。后面两种形式的涡带皆为尾水管脉动的根源。
2.3消除尾水管压力脉动的方法
1.改变水流的旋转方向，可在尾水管内安装十字架，一般和补气同
时使用；也可以在直椎管段加筋板，或者阻水栅，这些附加物可以部分或完全的消除涡带，但是同时增加噪声，结构强度难以得到满足，总是在运行过程脱落。
2.控制涡带的偏心距，在尾水管中安装同轴扩散管。但是这种方法在实际中运用不多。
3.引入适当的阻尼。补气就是引入阻尼，破坏涡带运动；但补气要适量，补气太少或者太多都会增大振动。一般为额定流量的2%左右。补气措施除了可以壁面尾水管中产生的涡带外，还可以减轻转轮的空蚀空化，吸收水流的噪声
4.改进转轮的叶形设计。转轮的叶形直接影响到尾水管的进口流态，所以，在设计时，既要考虑转轮有较高的效率又要使稳定性得到提高，而不能只关心最高效率。对于电厂来说，平均效率值和运行的稳定比最高效率更具有实际意义。
三、结语
实际存在的水轮机压力脉动是由多种压力脉动叠加而成的，不只是尾水管中涡带引起的脉动压力脉动。近年来在许多大中型电站发现的一些振幅较大的振动都与尾水管涡带引起的压力脉动关系不大或无直接联系。这些脉动多是由于机组尺寸的增大，使得导叶出水边与转轮进水边的距离增大，转轮与导叶的动静干扰加剧。
参考文献：
[1].郑源，汪宝罗，屈波.混流式水轮机尾水管压力脉动综述水力发电，2007.2
[2].于泳强.水轮机尾水管涡带与压力脉动的关系
士学位论文，2006
[3].郑双凌，马吉明，陈长植.尾水管脉动压力及扩散方式的研究水力发电，2003.7
[4].田锋社.水轮机压力脉动测试的分析与探讨
展，2006.4
[5].φyvind（挪威）.活动导叶设计对混流式水轮机压力脉动的影响国外大电机，2007.2
[6].Romeo（罗马尼亚）.混流式水轮机尾水管锥管内环向流动的数值模拟与分析23thIAHRSymposium，2006水利水电科技进西安理工大学硕
谈混流式水轮机尾水管压力脉动
[摘要]发电厂所关心的三大问题是效率、稳定性和空化空蚀。而目前，水轮机的效率已经达到90%以上，抗空蚀性能也大幅提升，因此水轮机的稳定性显得越来越重要。水轮机尾水管压力脉动是影响机组稳定性的主要因素之一，其不仅会引起机组的振动、出力摆动、叶片裂纹和尾水管壁撕裂等，当压力脉动剧烈时甚至会引起相近机组或厂房的共振，直接威胁到电站的安全运行。
[关键词]混流式水轮机；尾水管；压力脉动；涡带
StudyonthepressurepulseintheDraftTubeOfFrancisTurbineKeyWords:Francisturbine;drafttube;pressurefluctuation;vortex
Abstract:ThepressurepulseinthedrafttubeofFrancisturbinebringsontheunsteadyoperationforhydro_powerunit.Moreover,theseverepressurepulsewillthreatenthesafetyofpowerstation.Researcheshaveunveiledthattheeddyinthedrafttubeistheprincipalreasontotheunitvibration.Soitisimportanttosolvetheproblemofpressurepulsebasedonthestudyofvortex.
一、压力脉动
压力脉动是相对循环压力脉动而言的，所谓压力脉动就是压力不
均匀的作用于被作用对象上，在某个部位有集中或是较大的压力，且这种压力单次持续的时间不长，有可能呈现一定的周期性。比如：一个圆柱体放在静止的水中时，在同一深度的各个径向上，圆柱体受的是对称的压力，而如果把圆柱体放在海滩上，浪花每打一下，圆柱体迎向浪花的一面所受的就是脉动压力了。
脉动就是在水中的某个位置某段时间压力变化。水是流动的，而非静止的。一般水轮机等利用水资源的设备需要监测压力脉动。
二、尾水管压力脉动
尾水管是机组能量回收的重要部件，对机组的整体能量特性和稳定运行具有很大的影响，其内部水流从垂直方向转向水平方向，流动受到离心力的作用而存在二次流，且过流段沿流向存在扩散、收缩、再扩散的过程，流动极为复杂。因此对尾水管振动的研究仍以模型机的实验为主。虽然计算流体力学(CFD)近年来发展很快，但因为尾水管流动的复杂性，伴随着起泡的产生和溃灭，使得尾水管内的水流呈三维的气液两相流状态，难以建立较为真实的数学模型，计算结果也不精确。
2.1尾水管涡带产生的原因
尾水管压力脉动是力特征，尾水管涡带是流动特征，但是两者关系密切。涡带是脉动的根源。
目前关于尾水管涡带产生的原因，学术界主要有两种观点。一种是福尔维等认为的，由“涡带的突变”产生的。他们引用圆管中的旋转
水流引起的不稳定现象解释尾水管的振动。当圆管中水流的轴向速度与圆周速度的比值小于某个数值时，管道中出现涡带，但此时的涡带是对称稳定的，并不引起尾水管的振动，此时成为第一次突变。再当这个值继续下降到某个值时，涡带出现不对称，变得不稳定，尾水管的压力脉动就出现了。这就是第二次突变。
另一种观点是拉贝等代表的，他们认为转轮出口的旋转水流在尾水管中生成回流，当回流到达转轮区后，在转轮的影响下，又在尾水管中生成强制涡，此涡在蜗壳——导叶——转轮水流不对称下发生偏心，涡流的偏心引起涡流的旋转流动，形成了所谓的螺旋状涡带。上述第一种观点忽略了转轮的作用，是不切合实际的。目前第二种观点较为容易接受，根据这种理论，特别是机组在偏离最优工况运行时，尾水管的水流夹带着空化气泡，在离心力的作用下，形成同水流共同旋进的尾水管涡带，涡带在周期性非平衡因素的影响下产生偏心，这种偏心涡带大大降低水轮机效率，当其诱发的压力脉动频率接近机组的某个固有频率时，将引起强烈共振。
2.2涡带的种类
尾水管中的涡带主要有三种形式：第一种为实心涡带，在接近最有工况区产生；第二种为稳定的空腔涡带，像一条大尾巴在尾水管中甩来甩去；第三种为变化的空腔涡带，有时会有数个交替产生。后面两种形式的涡带皆为尾水管脉动的根源。
2.3消除尾水管压力脉动的方法
1.改变水流的旋转方向，可在尾水管内安装十字架，一般和补气同
时使用；也可以在直椎管段加筋板，或者阻水栅，这些附加物可以部分或完全的消除涡带，但是同时增加噪声，结构强度难以得到满足，总是在运行过程脱落。
2.控制涡带的偏心距，在尾水管中安装同轴扩散管。但是这种方法在实际中运用不多。
3.引入适当的阻尼。补气就是引入阻尼，破坏涡带运动；但补气要适量，补气太少或者太多都会增大振动。一般为额定流量的2%左右。补气措施除了可以壁面尾水管中产生的涡带外，还可以减轻转轮的空蚀空化，吸收水流的噪声
4.改进转轮的叶形设计。转轮的叶形直接影响到尾水管的进口流态，所以，在设计时，既要考虑转轮有较高的效率又要使稳定性得到提高，而不能只关心最高效率。对于电厂来说，平均效率值和运行的稳定比最高效率更具有实际意义。
三、结语
实际存在的水轮机压力脉动是由多种压力脉动叠加而成的，不只是尾水管中涡带引起的脉动压力脉动。近年来在许多大中型电站发现的一些振幅较大的振动都与尾水管涡带引起的压力脉动关系不大或无直接联系。这些脉动多是由于机组尺寸的增大，使得导叶出水边与转轮进水边的距离增大，转轮与导叶的动静干扰加剧。
参考文献：
[1].郑源，汪宝罗，屈波.混流式水轮机尾水管压力脉动综述水力发电，2007.2
[2].于泳强.水轮机尾水管涡带与压力脉动的关系
士学位论文，2006
[3].郑双凌，马吉明，陈长植.尾水管脉动压力及扩散方式的研究水力发电，2003.7
[4].田锋社.水轮机压力脉动测试的分析与探讨
展，2006.4
[5].φyvind（挪威）.活动导叶设计对混流式水轮机压力脉动的影响国外大电机，2007.2
[6].Romeo（罗马尼亚）.混流式水轮机尾水管锥管内环向流动的数值模拟与分析23thIAHRSymposium，2006水利水电科技进西安理工大学硕