灯泡贯流式水轮机水力振动的形成及其影响(1)(2)

4.2由卡门涡引起的振动

卡门涡是一种涡列，当流体流过一圆柱体或板（包括一般不绕流体）时，在物体后面就会沿着两条互相平行的直线产生一系列相隔一定距离的单涡（见图1）。这一系列单涡称之为卡门涡列。各个单涡以相反的旋转的形式交替在物体两后侧释放出来，与此同时，物体就受到与来流方向垂直的很强的交变力。这种交变力与旋涡频率相同。其振动频率为：

f=s_t*v/δ

式中f    振动频率(hz)

    s_t     斯特雷哈系数（一般取0.15-0.2）

v    绕流流速(m/s)

δ    圆柱体直径或板厚(m)

v    δ             

               图1     卡门单涡示意图

这种涡列在水轮机运行中也经常出现，导叶和轮叶在具有钝尾时，就会在叶片后面出现卡门涡列，产生作用在叶片尾部的交变力。假若交变力的频率与叶片固有频率相等时，就会产生共振，发出叶片振动的啸叫声，使叶片与转轮轮毂连接处（或导叶与外配、内配连接处）产生疲劳裂纹，因此，在机组检修过程中，应特别注意疲劳裂纹的检查。

这种涡的发生与否，与水流中物体的形状有关，其频率受水流流速的影响。因此，流速达到某一值，共振条件一成立，就会发生强烈的振动。所以实际水轮机在运转时，卡门涡列引起的振动是在一定的工况下发生。下面列出卡门涡列与涡带的区别（见表1），以供运行人员在水轮机实际运行中参考。

表1  涡带与卡门涡列的区别

4.3狭缝射流

在灯泡贯流式水轮机中，由于转轮叶片的工作面和背面存在着压力差，在轮叶外缘和转轮室之间的狭窄缝隙（飞来峡电站叶片与转轮室的间隙是7mm）中，形成一股射流，其速度很高而压力非常低。在转轮旋转过程中，转轮室壁的某一部分在叶片达到的瞬间处于低压；而在轮叶离去后又处于高压，如此循环，形成了对转轮室壁的周期性压力脉动，从而产生振动，导致疲劳破坏。这种振动的频率为：

f=（z₁n）/60

式中f     压力脉动频率（hz）

  n     水轮机转速（r/min）

z₁    叶片数目(飞来峡电站4片)

4.4协联关系不正确引起的振动

根据运行经验，当转桨式水轮机中协联关系不正确时，一方面会引起调速器系统持续振荡过程变长，机组出力、转速发生振荡，转动部分扭矩就会引起大轴变形，从而使转子产生扭转振动；另一方面，由于水流情况恶化，在水导轴承、组合轴承处引起轴向振动，对于飞来峡电站（转轮直径7000mm）而言，这种情况表现更为强烈。

同时，协联关系不正确时，转轮叶片不再具有无撞击进口，水流对叶片就会产生冲击，在不断的调节过程中，由于冲角随时在变化，作用在叶片上的负荷及由此而产生的叶片扭矩、变形等也相应变化，这些变化过程就反映了振动的进程。

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