水輪機水壓脈動是指水輪機過流通道中，水流壓力圍繞其平均值作交替性的隨機變化。它是使水輪發電機組產生振動的主要原因之一，這類振動常具有隨機性，且與水輪機的運行工況有關。
基本介紹
- 中文名：水輪機水壓脈動
- 外文名：pressure fluctuation of water turbine
- 危害：機組不能穩定運行
- 地位：機組產生振動的主要原因之一
- 領域：工程技術
- 學科：水利水電
簡介,水輪機水壓脈動的成因,水壓脈動的測量,減輕水壓脈動的措施,
簡介
水輪機水壓脈動是指水輪機過流通道中，水流壓力圍繞其平均值作交替性的隨機變化。它是使水輪發電機組產生振動的主要原因之一，這類振動常具有隨機性，且與水輪機的運行工況有關，尤其當混流式或軸流定槳式水輪機在遠離最優工況的高水頭、低負荷區運行時，尾水管內渦帶引起的低頻水壓脈動，將浮致機組不能穩定運行，甚至使轉輪遭到破壞，激起電站水工建築物的振盪等。
水輪機水壓脈動的成因
按其產生的原因，可分為尾水管渦帶、葉柵繞流，卡門渦、迷宮環間隙變動、蝸殼或導水葉引水不均勻以及頂蓋至尾水管的水力諧振等。
(1)尾水管渦帶引起的水壓脈動。由於水輪機運行偏離設計工況，尤其在低負荷運行區域，轉輪出口水流不是法向，水流的旋轉引起強烈的漩渦流動而形成螺旋形的帶狀，稱為渦帶。從轉輪出口一直延伸到尾水管時管底部，其形態隨毛況的變化而變化，並以0.2~0.5倍機組轉動頻率的頻率，按機組旋轉方向圍繞尾水管中心旋轉，引起周期性的壓力變化。
（2）轉輪葉柵繞流弓}起的水壓脈動。兩相鄰葉片間間隙及其進、出水口的流速和壓力的不均勻分布，使轉輪的上、下游水流產生擾動形成壓力脈動。其幅值隨轉輪葉片數的減少或機組過流量的增加而增強，其瀕率為葉片數與機組轉動頻率的乘積，且衰減較快。另外，在偏離最優工況後的小負荷區時，由於轉輪葉片進、出口的水流衝擊和脫流所引起的水壓脈動，其幅值和頻率的變化都是隨機性的，都可能引起葉片的共振。 (3)卡門渦引起的水壓脈動。恆定流束繞過物體時，在其後面的兩側出現漩渦，形成旋轉方向相反、有規則交錯排列的線渦，進而互相干擾、互相吸引形成非線性的渦列，俗稱卡門渦。在水輪機固定導葉、活動導葉和轉輪葉片等的出水邊常產生卡門渦現象，當其出現頻率接近於轉動體的固有頻率時，將產生共振並伴有較強的且頻率比較單一的噪聲和金屬共鳴聲。
(4)迷宮環間隙不勻引起的水壓脈動。由於迷宮環動、靜部分的偏心，使迷宮環轉動部分和固定部分之間的間隙出現周期性的變化，其中將產生一個瞬時不均勻或中心不成對稱的旋轉壓力場，而形成壓力脈動。 (5)蝸殼或導水葉引水不勻引起的水壓脈動。由於加工和安裝誤差，使導水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大時，對水流將產生擾動，擾動水流在進入轉輪區時，就會與轉輪發生衝擊而引起壓力脈動。在空載或低負荷運行時均能使機組產生強烈的振動。
（6）頂蓋至尾水管的水力諧振。經過轉輪上、下迷宮止漏裝置漏入尾水針的水流，在一定水頭和導水葉開度下將產生水力諧振而出現強水壓脈動，引起頂蓋和機組承重支架隨機性的軸向高頻振動和噪聲。
(7)運行工況劣化所引起的水壓脈動。如機組在高區運行，以及水輪機、水泵的起動、甩負荷、斷電及飛逸等過渡工況運行時，其水壓脈動的幅值比穩定運行時有顯著增大。發電機的功率擺動亦將引起隨機性的水壓脈動。
水壓脈動的測量
為掌握水壓脈動的規律，並分析它們對機組振動的具體影響，需選擇適當的壓力表或壓力感測器，目前廣泛套用的是壓阻式感測器，它的靈敏度很高，無需放大器，其愉出可直接進行記錄。用示波器或磁帶記錄儀記錄測點信號隨時間而變化的波形，並分析計算出各測點隨工況變化的振幅與頻率。
由於不同原因引起的水壓脈動的位置分布不同，因此測點應當選擇在最能代表該種水壓脈動特性的位置上，並均以流道壁面上的測量結果為依據，以便對比分析。例如。測尾水管渦帶水壓脈動時，測點應設在尾水管直錐段進口以下0.4~0.5倍轉輪直徑處的管壁上;分析葉柵繞流或卡門渦引起的水壓脈動時，測點應設在轉輪進、出口處。分析迷宮止水裝置中的水壓脈動時，測點應設在其高度的中部或進、出口處，分析發電機功率擺動時，測點應布置在壓力鋼管末端或蝸殼進口處。可按試驗任務和現場具體施測條件取捨。
減輕水壓脈動的措施
對運行機組而言，改造其水下部件的結構將受到限制，可通過分析原型試驗結果以了解水壓脈動特性再採取針對性措施。
①避開不穩定運行區，優選運行工況。
②在轉輪上、下採取一些穩定水流的措施，如在轉輪出口附近沿尾水管直錐段周圍管壁上裝設用以削弱尾水管內水流的圓周分量、破壞渦帶的形成和發展的裝置。
③向頂蓋下方空腔補氣，可利用大軸中心孔或尾水管中心補氣裝置進行自然補氣或強迫補氣，以減小渦帶在尾水管斷面上的偏心矩。
④通過配重處理或適當調整軸瓦間隙，以減小轉動部分的運行擺度。
⑤減薄轉輪葉片出水邊的厚度及改變其形狀，以改變卡門渦的頗率。或在轉輪葉片間加支撐以改變葉片的固有頻率，以免發生共振。
