第5章 涡带压力脉动控制措施的研究

5.1 原则性途径

很早以前研究人员就希望采用改变水轮机转轮叶片水力设计的办法来控制涡带压力脉动的产生和强度，并为此进行了很多方面的努力，但结果是令人失望的。混流式水轮机转轮叶片的水力设计是按最优工况进行的。在最优工况下，水轮机中的水流大致是“按部就班”地在“比较理想的状态”下流动。而在部分负荷条件下，转轮内的流动不仅仅是流量的减小，而且与最优工况相比，叶道中的流态发生了根本性的变化。这个变化将不可避免的、“不由自主”的为涡带和涡带压力脉动的产生创造条件。所以，对于混流式水轮机，有最优工况，就有部分负荷工况，两者是相伴而生的。在部分负荷工况下，涡带压力脉动就是不可避免的。不存在通过转轮叶片水力设计来对混流式水轮机涡带压力脉动进行根本性控制的可能性。

部分负荷时，叶道中流态的根本性变化表现在：进入转轮后的水流，不再按照转轮的所谓“结构线”流动，而是在转轮和离心力的作用下，迅速偏向下环。这产生的结果是：增大了转轮叶道内水流的旋转速度，并使进入尾水管的水流具有了一定的圆周速度。而尾水管水流圆周速度又导致尾水管中心部分真空的产生，为尾水管中回流和再回流的产生创造了条件，并为涡带和涡带压力脉动的产生准备了最后的条件。基于此，控制或消除涡带压力脉动的所谓“原则性途径”，就是控制和改变涡带和涡带压力脉动产生条件的途径。这些原则性途径理论上是有效的，能否用在原型水轮机上，还需要考虑其他的条件，例如结构条件等。

前已述及，尾水管涡带的产生需要具备两方面的基本条件：一是需要一定的圆周速度（轴向速度是必然存在的）；二是需要有一定的空间。所谓减小或消除涡带压力脉动的原则性途径，就是从这两方面着手的。

1.减小尾水管水流的圆周速度

进入尾水管的主水流具有圆周速度是涡带产生的基本条件，减小尾水管水流的圆周速度，是最早考虑和采用的减小涡带压力脉动的方法。

尾水管内水流的圆周速度可分为三部分，即主水流的圆周速度、死水区的圆周速度和涡核的圆周速度。当然，三者之间相互关联、相互影响。相应的有不同的改变圆周速度的方法。例如，在尾水管壁上安装筋板就是为了减小主水流的圆周速度；吊挂在尾水管内的导流栅、导流片等，就是用于减小死水区水流的圆周速度，同时也能减小涡核自身的旋转速度。

2.减小或消除涡核的偏心距

涡核偏心距是产生和影响涡带压力脉动的基本条件。减小涡核偏心距就可以减小涡带压力脉动。尾水管补气减小涡带压力脉动的原理就在于此。

3.减小死水区存在的空间

死水区是涡带产生和运动的空间条件。如果用一定形状的固体物占据死水区或涡带运动的部分空间，就可以减轻或消除涡带压力脉动。在尾水管底部加装芯体（如钟罩式尾水管）就起这样的作用。

在原型水电站，应用最多的方法是进行水轮机尾水管补气（包括通过大轴向尾水管补气），特别是在大、中型水轮机中。在尾水管锥管中安装结构物的方式，多在小型水轮机中采用。