水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理研究

徐洪泉，陸 力，王萬(wàn)鵬，趙立策

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

近20年來(lái)，我國(guó)的抽水蓄能電站建設(shè)發(fā)展迅速，到“十二五”末總裝機(jī)容量已突破2000萬(wàn)kW?！笆濉逼陂g，我國(guó)還將大力發(fā)展抽水蓄能電站建設(shè)，規(guī)劃到2025年抽水蓄能電站裝機(jī)容量達(dá)到9000萬(wàn)kW。

目前國(guó)內(nèi)外均有部分抽水蓄能電站發(fā)生了比較嚴(yán)重的廠房振動(dòng)問(wèn)題［1-3］，嚴(yán)重影響到電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為解決這一困擾國(guó)內(nèi)外水電科技界幾十年的世界級(jí)難題，作者從水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)產(chǎn)生發(fā)展機(jī)理入手，研究總結(jié)了無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的傳播規(guī)律，總結(jié)提出了減輕抽水蓄能機(jī)組振動(dòng)及廠房振動(dòng)的方法和措施。

現(xiàn)代的大型抽水蓄能電站多采用抽水與發(fā)電同機(jī)的混流可逆式水泵水輪機(jī)，既可以在抽水時(shí)作為水泵運(yùn)行，也可以在發(fā)電時(shí)作為水輪機(jī)運(yùn)行?；炝骺赡媸剿盟啓C(jī)和常規(guī)的離心泵不同，其設(shè)置有導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；和常規(guī)的混流式水輪機(jī)也不同，其轉(zhuǎn)輪按水泵設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速高，葉片少。在活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間（常稱為“無(wú)葉區(qū)”）常遇到比常規(guī)水輪機(jī)嚴(yán)重得多的壓力脈動(dòng)問(wèn)題。該壓力脈動(dòng)幅值大，頻率高，是水泵水輪機(jī)面臨的主要穩(wěn)定性威脅。由于抽水蓄能電站廠房振動(dòng)的頻率多為該壓力脈動(dòng)頻率的倍頻，許多研究者認(rèn)為：抽水蓄能電站的廠房振動(dòng)由水力因素引起，和無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)密切相關(guān)［1-2，4-7］。

由于常規(guī)水電站遇到的大量穩(wěn)定性問(wèn)題多發(fā)生在尾水管，目前對(duì)發(fā)生在無(wú)葉區(qū)的壓力脈動(dòng)關(guān)注較少，了解不夠深入，不太清楚其來(lái)源及傳播方式，對(duì)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪葉片和靜止的活動(dòng)導(dǎo)葉之間的相互干擾更知之甚少。盡管此問(wèn)題在本世紀(jì)逐漸受到重視，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了許多關(guān)于無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的原模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究［4-12］，但對(duì)其幅頻特性的研究還不夠全面，對(duì)其發(fā)生機(jī)理和傳播規(guī)律的研究更不夠深入，因此也難以為更深入的研究提供理論指導(dǎo)。本文擬通過(guò)對(duì)水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值和頻率特性的比較分析，探索其產(chǎn)生機(jī)理，為下一步深入探索無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)由葉片通過(guò)頻率到其倍頻發(fā)展轉(zhuǎn)化的傳播規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

2 無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值及頻率特性

2.1 無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值特性 我國(guó)部分已運(yùn)行抽水蓄能電站混流可逆式水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)的無(wú)葉區(qū)和尾水管壓力脈動(dòng)幅值特性如表1［13-18］所示。

表1 部分水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)和尾水管壓力脈動(dòng)模型實(shí)測(cè)結(jié)果

2.1.1 水泵工況 水泵工況壓力脈動(dòng)幅值特性如圖1所示，顯然無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)（圖中標(biāo)注“HVS1”和“HVS2”，其中的1和2分別表示機(jī)組+Y和-Y方向）幅值最大，比尾水管（HD）、蝸殼進(jìn)口（HC）大得多。從表1更可明顯看出，各電站無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值均大于尾水管。部分電站還測(cè)量了頂蓋、活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉之間的壓力脈動(dòng)，其幅值也小于無(wú)葉區(qū)。

圖1 某水泵水輪機(jī)水泵工況壓力脈動(dòng)幅值特性

比較圖1在不同揚(yáng)程條件下無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值，可見(jiàn)其在揚(yáng)程約為150 m（該電站水泵水輪機(jī)水泵最優(yōu)工況揚(yáng)程出現(xiàn)在150 m左右）時(shí)壓力脈動(dòng)幅值最低，且揚(yáng)程越低幅值越高。其它許多電站的無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)多呈現(xiàn)中間低、兩頭高的狀態(tài)，其最低點(diǎn)多出現(xiàn)在水泵工況最優(yōu)揚(yáng)程附近。

2.1.2 水輪機(jī)工況

（1）和其他位置比較。圖2為某抽水蓄能電站水輪機(jī)工況在不同測(cè)量位置測(cè)量的壓力脈動(dòng)幅值特性，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值最大。表1所示18個(gè)抽水蓄能電站水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)中，16個(gè)電站無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值大于尾水管和其它位置，一個(gè)和尾水管持平，只有響水澗無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值略小于尾水管。

（2）不同水頭比較。如圖2所示，真機(jī)水頭越低，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值越高。對(duì)其他水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的比較也可發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律：就大多數(shù)水泵水輪機(jī)而言，高幅值無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)均發(fā)生在低水頭，且最高幅值常對(duì)應(yīng)于最低水頭。

圖2 某水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況不同真機(jī)水頭模型壓力脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果

（3）和水泵工況比較。如表1所示，在18個(gè)抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)測(cè)試中，除白蓮河電站之外，其余17個(gè)電站的水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值均大于水泵工況（不包括0流量工況），許多電站差別還比較大。

（4）和混流式水輪機(jī)比較?；炝骺赡媸剿盟啓C(jī)流道形狀和常規(guī)混流式水輪機(jī)非常相似，但水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況的無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值特性卻和混流式水輪機(jī)差別非常大。對(duì)混流式水輪機(jī)而言，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)和尾水管壓力脈動(dòng)相比并不突出，在不同負(fù)荷互有高低；但是，對(duì)混流可逆式水泵水輪機(jī)的水輪機(jī)工況來(lái)說(shuō)，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)卻可以說(shuō)是“一枝獨(dú)秀”，比其它任何位置的壓力脈動(dòng)都大得多。水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況尾水管壓力脈動(dòng)之所以不突出（甚至比常規(guī)混流式水輪機(jī)相對(duì)幅值低）原因有二，首先是因?yàn)槌樗钅茈娬径酁榈叵码娬?，尾水吸出高度Hs大多低于-30 m，尾水管環(huán)境壓力高；其次是因?yàn)樵囼?yàn)的抽水蓄能電站水頭都比較高，尾水管渦帶壓力脈動(dòng)相對(duì)幅值也應(yīng)低于低水頭電站。

此外，如單獨(dú)就無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)進(jìn)行比較，混流可逆式水泵水輪機(jī)的水輪機(jī)工況也比常規(guī)混流式水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)幅值高得多，尤其是在低水頭工況。

2.1.3 水泵0流量工況 如表1所示，水泵0流量工況是無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值比較大的工況之一，比常規(guī)水泵工況大得多，個(gè)別電站甚至高達(dá)46.3%。

2.1.4 飛逸工況 飛逸工況是無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值最大的工況，最大者（張河灣）可達(dá)92.8%，多個(gè)抽水蓄能電站超過(guò)70%。部分電站比較低，可能是因?yàn)轱w逸試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度比較小，只在空載開(kāi)度測(cè)量了飛逸轉(zhuǎn)速的壓力脈動(dòng)。

總體來(lái)說(shuō)，水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值大于其它位置，水輪機(jī)工況大于水泵工況。和常規(guī)水輪機(jī)相比，混流可逆式水泵水輪機(jī)的水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)也大得多。

2.2 無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻率特性

2.2.1 水泵工況頻率特性 水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果分別如圖3、圖4和圖5所示。

在圖3所示瑯琊山電站水泵工況壓力脈動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果中，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻是7fn。由于其轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Zr=7，說(shuō)明其無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻為葉片通過(guò)頻率（以下簡(jiǎn)稱葉頻）fr。

在圖4所示張河灣水泵工況壓力脈動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果中，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)分析主頻是9fn。由于其Zr=9，說(shuō)明該轉(zhuǎn)輪的無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻為葉頻fr。

圖3 瑯琊山電站水泵水輪機(jī)水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果

圖4 張河灣電站水泵水輪機(jī)水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果

圖5 部分抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果

圖5顯示了仙游、響水澗和仙居A、B兩個(gè)轉(zhuǎn)輪部分水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果，其主頻與葉頻的對(duì)照結(jié)果如表2所示，主頻和葉頻之比約等于1。

表2 部分水泵水輪機(jī)水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻和葉頻對(duì)照

這些電站其它水泵工況測(cè)試的幅值可能差別很大，但頻譜分析的總體規(guī)律大體和圖5一致，其主頻均為葉頻。

總之，根據(jù)我們對(duì)已掌握水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)資料的分析，除長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪外，絕大多數(shù)水泵工況的無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻為葉頻，2倍或3倍葉頻并非該壓力脈動(dòng)主頻。

長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪多數(shù)水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的頻率特性如圖6所示（f1=169.2 Hz，Zr=10，fn=16.93 Hz），主頻等于葉頻。也有部分轉(zhuǎn)輪在個(gè)別工況存在圖7所示狀況（f1=115Hz，Zr=12，fn=19.18 Hz，f1=6fn=0.5Zr·fn=0.5fr），主頻等于1/2葉頻，葉頻只是次高頻。如將長(zhǎng)葉片和其相鄰的短葉片稱為葉片組合，則該主頻實(shí)為葉片組合通過(guò)頻率。

2.2.2 水輪機(jī)工況頻率特性 水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果分別如圖8、圖9和圖10所示。

在圖8所示的瑯琊山電站水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果中，其無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻f1=7fn。由于其Zr=7，說(shuō)明該轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻等于葉頻fr。

圖6 績(jī)溪A水泵水輪機(jī)某水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果

圖7 績(jī)溪B水泵水輪機(jī)某水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果

在圖9所示的張河灣電站水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果中，其無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻f1=9fn。由于其Zr=9，說(shuō)明該轉(zhuǎn)輪的無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻也是葉頻fr。

圖8 瑯琊山電站水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況頻率特性

圖9 張河灣電站水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況頻率特性

圖10顯示了仙游、響水澗和仙居A、B兩個(gè)轉(zhuǎn)輪部分水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果，其主頻與葉頻的對(duì)照結(jié)果如表3所示，主頻和葉頻之比約等于1。

表3 部分水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻和葉頻對(duì)照

與水泵工況類似，除長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪外，絕大多數(shù)水輪機(jī)工況的無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻為葉片通過(guò)頻率fr，2倍或3倍葉頻并非該壓力脈動(dòng)主頻。

長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)多數(shù)工況的頻率特性如圖11所示（Zr=12，fn=16.13 Hz，f1=193.4 Hz=Zr·fn），主頻等于葉頻。個(gè)別工況存在圖12所示狀況，其fn=19.67Hz，f1=117.99 Hz=6fn=0.5fr，主頻是葉頻的一半，即葉片組合通過(guò)頻率。

圖10 部分電站水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果

圖11 績(jī)溪B水泵水輪機(jī)某水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果（HP=564.8m）

圖12 績(jī)溪B水泵水輪機(jī)某水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果（HP=636.8m）

總之，水泵水輪機(jī)兩種工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)主頻均為葉頻，只有長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪部分工況以葉片組合通過(guò)頻率為主頻。

3 無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)形成機(jī)理探討

3.1 無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)來(lái)源分析 無(wú)論是水泵工況，還是水輪機(jī)工況，水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的主頻f1均為葉頻f（r長(zhǎng)短葉片除外），即葉片數(shù)Zr與轉(zhuǎn)頻fn的乘積（f1=fr=Zr·fn）。據(jù)此可以判斷，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)來(lái)自于轉(zhuǎn)輪葉片對(duì)水流的擾動(dòng)，是轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)葉道內(nèi)壓力分布的不均勻造成的，高低壓交替通過(guò)無(wú)葉區(qū)攪動(dòng)形成葉頻壓力脈動(dòng)。

3.2 水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)形成機(jī)理 在水泵工況，水流從尾水管進(jìn)入，經(jīng)轉(zhuǎn)輪流入無(wú)葉區(qū)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪將每個(gè)葉道內(nèi)分布不均勻的壓力以近似于周期函數(shù)的壓力施加并傳遞到靜止不轉(zhuǎn)的無(wú)葉區(qū)，其周期即單葉道旋轉(zhuǎn)周期（T=Tn/Zr，其中Tn為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)周期），其頻率即葉片通過(guò)頻率fr。水泵工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)均在協(xié)聯(lián)工況進(jìn)行，其轉(zhuǎn)輪出口壓力分布比水輪機(jī)工況的進(jìn)口更均勻，應(yīng)是水泵工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值低于水輪機(jī)工況主要原因。

3.3 水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)形成機(jī)理

3.3.1 水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)頻率來(lái)源分析 在水輪機(jī)工況，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的主頻f1為葉頻fr（長(zhǎng)短葉片除外，本文暫不考慮），即葉片數(shù)Zr與轉(zhuǎn)頻fn的乘積（f1=fr=Zr·fn）。

在水輪機(jī)工況，水流從蝸殼進(jìn)入，經(jīng)導(dǎo)葉流入無(wú)葉區(qū)，再進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪。在進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前，無(wú)葉區(qū)各測(cè)量位置盡管壓力分布不同，但在穩(wěn)定工況各測(cè)點(diǎn)壓力應(yīng)保持基本穩(wěn)定（不考慮紊流等因素影響），為定常運(yùn)動(dòng)，并無(wú)原發(fā)性壓力脈動(dòng)。而與其鄰近的轉(zhuǎn)輪葉片通過(guò)頻率正是該區(qū)域壓力脈動(dòng)的主頻，據(jù)此可以判斷：在無(wú)葉區(qū)所測(cè)量到的壓力脈動(dòng)，主要來(lái)自于轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口，源自于轉(zhuǎn)輪葉片對(duì)靜止區(qū)域的擾流，其主頻自然是葉頻fr，以壓力波的方式傳播到無(wú)葉區(qū)。

3.3.2 轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口脫流漩渦的巨大影響及作用 在水輪機(jī)工況，無(wú)葉區(qū)鄰近的轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)屬轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口。對(duì)于葉片不能調(diào)整角度的混流式水泵水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，除最優(yōu)工況附近狹窄的工作區(qū)域外，大多數(shù)工況都會(huì)在葉片進(jìn)水邊產(chǎn)生脫流，形成脫流漩渦。如工作水頭高于最優(yōu)工況水頭，在葉片進(jìn)口邊背面產(chǎn)生脫流；如工作水頭低于最優(yōu)工況水頭，在葉片進(jìn)口邊正面產(chǎn)生脫流。

混流可逆式水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪按水泵設(shè)計(jì)，水泵工況葉片出水邊作為水輪機(jī)工況進(jìn)水邊，對(duì)來(lái)流遠(yuǎn)不如常規(guī)水輪機(jī)適應(yīng)，水輪機(jī)最優(yōu)工況對(duì)應(yīng)水頭比抽水蓄能電站實(shí)際運(yùn)行水頭高得多。如表4所示，在統(tǒng)計(jì)的17個(gè)抽水蓄能電站中，所選用水泵水輪機(jī)水輪機(jī)最優(yōu)工況對(duì)應(yīng)水頭Hopt和電站最高水頭Hmax的比Hopt/Hmax=1.102～1.341，Hopt和電站最低水頭Hmin的比Hopt/Hmin為1.321～1.632。

以我國(guó)某高水頭抽水蓄能電站為例，假定水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)最優(yōu)工況時(shí)進(jìn)口水流角βopt接近或等于轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口安放角βe。如圖13（a）所示，其最優(yōu)進(jìn)口水流角βopt=124.2°；當(dāng)電站在最高水頭運(yùn)行時(shí)，已遠(yuǎn)離水輪機(jī)最優(yōu)工況，進(jìn)口水流角β=82.2°，遠(yuǎn)小于βopt及βe，形成很大負(fù)沖角（△β=β-βe=-42°），可在葉片進(jìn)水邊正面形成脫流漩渦（見(jiàn)圖13（b））；尤其是在電站最低水頭運(yùn)行時(shí)，β=54.6°，△β=β-βe=69.6°，形成更大負(fù)沖角，可在葉片進(jìn)水邊正面形成更大脫流漩渦（見(jiàn)圖13（c））。

脫流漩渦屬自由渦，其旋轉(zhuǎn)半徑R和旋轉(zhuǎn)速度Vu的乘積保持常數(shù)（Vu·R=const）［19］；水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)少（表1所列電站中，除清遠(yuǎn)10個(gè)葉片外，其余為7或9葉片），葉片間距大（D1=5m、Zr=7水泵水輪機(jī)葉片間距和D1=10.7 m、Zr=15水輪機(jī)葉片間距相當(dāng)），脫流漩渦初始半徑大，渦心流速高，壓力非常低；而水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口周向速度U1（U1=n·D1·π/60，其中n為轉(zhuǎn)速，D1為轉(zhuǎn)輪直徑）遠(yuǎn)大于混流式水輪機(jī)（如西龍池U1≈113.1m/s，而三峽電站U1≈39.3m/s；在吉林白山電站，水泵水輪機(jī)U1≈54.7m/s，常規(guī)水輪機(jī)U1≈38m/s），則可能造成漩渦初始流速非常高。受兩方面因素共同影響，會(huì)造成渦心流速很高，壓力非常低。當(dāng)?shù)蛪旱臏u心和無(wú)渦的高壓隨轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)通過(guò)靜止的無(wú)葉區(qū)時(shí)，勢(shì)必在無(wú)葉區(qū)擾動(dòng)形成大幅值壓力脈動(dòng)。

表4 電站水頭和水泵水輪機(jī)水輪機(jī)最優(yōu)工況水頭比較

圖13 不同水頭水輪機(jī)工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)口速度三角形

3.3.3 脫流漩渦對(duì)水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值特性影響分析 通過(guò)以下對(duì)比分析，可進(jìn)一步看清脫流漩渦對(duì)水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的影響。

（1）水輪機(jī)工況不同水頭對(duì)比。比較各電站無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)隨水頭變化的曲線還可發(fā)現(xiàn)，電站水頭越低，壓力脈動(dòng)幅值越大，圖2即此類實(shí)測(cè)曲線之一。在高水頭，可能沒(méi)有脫流或脫流不嚴(yán)重，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)比較小；在低水頭，離Hopt更遠(yuǎn)，脫流變得更嚴(yán)重，渦心流速更高，造成無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值更高。

（2）和常規(guī)混流式水輪機(jī)對(duì)比。與水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況不同的是，常規(guī)混流式水輪機(jī)最優(yōu)水頭通常在電站最高水頭和最低水頭之間（通常希望靠近最高水頭，個(gè)別電站選擇Hopt等于最高水頭），加之其葉片進(jìn)水邊圓弧比較大，對(duì)進(jìn)口水流適應(yīng)范圍寬。而水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況進(jìn)水邊又是水泵出水邊，葉片不能太厚，對(duì)不同水流角的來(lái)流適應(yīng)能力也不如常規(guī)水輪機(jī)，其比常規(guī)水輪機(jī)產(chǎn)生更大脫硫漩渦及更大幅值無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)也完全符合邏輯。

（3）和飛逸工況對(duì)比。水泵水輪機(jī)飛逸工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)比任何其它工況都大，部分水泵水輪機(jī)甚至接近100%。之所以產(chǎn)生如此狀況，是因?yàn)樵摴r單位轉(zhuǎn)速最高，離最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速最遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口脫流最嚴(yán)重，其形成渦心流速最高，渦心最低壓力點(diǎn)有可能已經(jīng)空化，而高壓區(qū)壓力仍比較高，在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口邊形成高低非常懸殊的壓力分布，并因此給轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)掃過(guò)的無(wú)葉區(qū)帶來(lái)劇烈壓力脈動(dòng)。

通過(guò)上述分析討論，可以清楚的說(shuō)明：（1）水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況在轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)形成的脫流旋渦屬自由渦，在低水頭工況會(huì)產(chǎn)生非常低的渦心壓力，有可能低于空化壓力；（2）轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)懸殊的壓力分布隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)傳遞給無(wú)葉區(qū)，造成無(wú)葉區(qū)大幅值壓力脈動(dòng)；（3）因?yàn)樗啓C(jī)工況存在該脫流旋渦，造成轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)壓力分布遠(yuǎn)不如水泵工況均勻，導(dǎo)致水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)大于水泵工況。

4 結(jié)論

綜合上述分析，可得如下主要結(jié)論：（1）水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于尾水管等其它位置，且水輪機(jī)工況大于水泵工況；在水輪機(jī)工況，低水頭工況幅值更大，飛逸工況最大；混流可逆式水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)遠(yuǎn)大于常規(guī)混流式水輪機(jī)。（2）無(wú)論是水輪機(jī)工況還是水泵工況，水泵水輪機(jī)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)的主頻多數(shù)為葉片通過(guò)頻率，是高壓側(cè)壓力分布不均勻的轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)通過(guò)無(wú)葉區(qū)造成的；該不均勻越嚴(yán)重，無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值越大。（3）水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)大幅值壓力脈動(dòng)由轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口脫流漩渦引起，該自由渦可帶來(lái)非常低的壓力，在無(wú)葉區(qū)形成高幅值壓力脈動(dòng)。（4）電站所有發(fā)電水頭均低于水泵水輪機(jī)最優(yōu)工況水頭，這應(yīng)是水泵水輪機(jī)水輪機(jī)工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值大的主要原因。

致謝：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院的孟曉超教高、廖翠林博士等參與了許多工作，提供了部分技術(shù)支持，表示衷心感謝！