36 尾水管壓力脈動(dòng)淺析

1、尾水管壓力脈動(dòng)淺析184尾水管壓力脈動(dòng)淺析尾水管壓力脈動(dòng)淺析(美)FalveyHT[摘要摘要]尾水管是水輪機(jī)的組成部分，它的性能會(huì)影響機(jī)組的效率。混流式水輪機(jī)尾水管中的不穩(wěn)定流動(dòng)，即所謂的壓力脈動(dòng)，會(huì)引起功率的擺動(dòng)和振動(dòng)。了解這種脈動(dòng)有助于對(duì)其進(jìn)行有效地預(yù)防。[關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞]混流式水輪機(jī)；尾水管；壓力脈動(dòng)混流式水輪機(jī)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(jìn)入

2、轉(zhuǎn)輪。導(dǎo)葉控制通過水輪機(jī)的流量。尾水管呈擴(kuò)散形，用來增加水輪機(jī)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(jī)裝置(尾水管的性能會(huì)影響機(jī)組的綜合效率)水輪機(jī)的功率等于轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)換的動(dòng)量矩。在最高效率點(diǎn)，離開轉(zhuǎn)輪的動(dòng)量矩理論上應(yīng)等于零，即水流流出轉(zhuǎn)輪進(jìn)入尾水管時(shí)是無旋的。但實(shí)際上，在最高效率點(diǎn)，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(bǔ)償要大。部分負(fù)荷時(shí)，進(jìn)入尾水管的水流

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

4、C(AllisChalmers)公司的試驗(yàn)工程師RheingansWI提出的。(1)cnf?式中f——壓力脈動(dòng)的頻率，Hz；n——水輪機(jī)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(xiàng)丹佛墾務(wù)局的福特基金項(xiàng)目，旨在加深對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)的認(rèn)識(shí)。他將尾水管壓力脈動(dòng)現(xiàn)象、頻率和振幅與水輪機(jī)流量和幾何形狀參數(shù)聯(lián)系起來，試驗(yàn)是利用空氣作為介質(zhì)進(jìn)行的。利用空氣作介質(zhì)，在變工況時(shí)，不會(huì)因出現(xiàn)

5、空化對(duì)試驗(yàn)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(huì)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(huì)產(chǎn)生變形。圖2為尾水管壓力脈動(dòng)的流態(tài)發(fā)展情況。在尾水管壓力脈動(dòng)變化發(fā)展中，尾水管中心線處首先產(chǎn)生一駐點(diǎn)，水流從上游和下游流向這個(gè)駐點(diǎn)。駐點(diǎn)的進(jìn)一步發(fā)展通常稱為渦帶潰裂(VtexBreakdown)。隨著旋轉(zhuǎn)的進(jìn)一步增加，駐點(diǎn)逆流向尾水管進(jìn)口運(yùn)動(dòng)。在喉管內(nèi)，水流變成螺旋狀，旋進(jìn)回流

6、區(qū)。這種渦帶會(huì)在尾水管中產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。尾水管壓力脈動(dòng)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(xiàng)是渦帶參數(shù)，表示進(jìn)入尾水管水流的相對(duì)環(huán)量。水輪機(jī)特性如功率、流量和轉(zhuǎn)速可用下述三個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)輪喉徑，m；g——重力加速度，ms2；H——水輪機(jī)水頭，m；N——水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，rmin；P——水輪機(jī)出力，W；Q——流量，m3s。用式(3)求得的渦帶參數(shù)和模型試驗(yàn)得出的尾水管脈動(dòng)特性，可以預(yù)測(cè)具體水輪機(jī)裝置的壓力脈動(dòng)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(cè)尾水管壓力脈動(dòng)的渦帶參數(shù)法，因?yàn)樵陬l譜分析投入商業(yè)應(yīng)用之前，研究工作者在模型試驗(yàn)時(shí)，還不能測(cè)量水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)特性。目前，研究工作者已將壓力

8、脈動(dòng)特性作為模型試驗(yàn)的常規(guī)測(cè)試項(xiàng)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(jī)上發(fā)生壓力脈動(dòng)問題?！畬?duì)給定的尾水管，發(fā)現(xiàn)壓力脈動(dòng)的頻率和振幅是渦帶參數(shù)的函數(shù)。模型試驗(yàn)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(dòng)振幅和頻率。研究工作的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，脈動(dòng)開始時(shí)的渦帶參數(shù)約是0.3。脈動(dòng)特性評(píng)述脈動(dòng)特性評(píng)述從技術(shù)角度看，尾水管壓力脈動(dòng)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(dòng)一個(gè)放大的反饋?zhàn)饔谩?/p>

9、在尾水管壓力脈動(dòng)中，反饋?zhàn)饔玫漠a(chǎn)生是由于尾水管軸線處回流的結(jié)果。反饋?zhàn)饔玫膮?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(duì)脈動(dòng)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