4.1 涡带力

4.1.1 涡带力概念

在物理学中就已经知道，力和运动是密不可分的。同样的，振动和激振力也总是密切联系在一起的。

机组的代表性振动部件（例如发电机的上、下机架，水轮机顶盖，大轴等），多数都不直接承受涡带压力脉动的作用，但它们在涡带工况区都会出现涡带频率的振动。这表明，它们承受了涡带压力脉动产生的激振力的作用。

然而，涡带压力脉动只是作用在尾水管壁上测点处的脉动压力。由于涡带压力脉动的分布特性，这个测点处的脉动压力，既不代表涡带压力脉动作用在尾水管全部流道壁面上的作用力，也不是作用在机组振动部件上的激振力。在进行机组部件或厂房建筑物的振动计算时，不能直接把涡带压力脉动当作动载荷。

因此，涡带压力脉动要引起振动，它首先需要以某种方式转换为激振力，这就是所谓的涡带力。涡带压力脉动对电站和机组振动稳定性的影响，都是通过涡带力的作用实现的。

这也同时表明，涡带压力脉动只是产生涡带力的原因，并不是涡带力本身，更不代表机组的振动稳定性。

4.1.2 涡带力的转换和传递

由涡带压力脉动到涡带力的转换和传递，因振动部件的不同而不同，而且还要考虑到涡带压力脉动中同步和不同步两部分作用的不同。

1.作用在水轮机流道壁面上的涡带力

由于涡带压力脉动幅值和测点位置有关，并在流道内具有一定的分布特性，故作用在流道壁面上的总涡带力需要经过一定的积分计算才能得到。显然，对于不同尺寸的水轮机，流道的几何尺寸是不一样的，由涡带压力脉动形成的总涡带力也是不同的。

考虑到常规涡带压力脉动的不传播特性，需要把尾水管承受的总涡带力和其他部位的涡带力分开来计算。它们的主要差别在于压力脉动的幅值和相位的不同。

2.机组振动部件承受的涡带力

根据涡带压力脉动对机组振动、摆度影响的结果分析，作用在这些部件上的涡带力主要应当是由作用在水轮机转轮的力传递而来。

大量的现场试验结果显示，大轴摆度特别是水导摆度，以及与之相关的上、下机架和顶盖水平振动受涡带压力脉动的影响比较大，这应当是受尾水管常规涡带压力脉动影响的结果。而机组各部件垂直振动中的涡带频率成分，则主要是受尾水管同步压力脉动作用的结果。所有这两种情况都表明，作用在振动部件的水平力和垂直力，都是由直接作用在转轮上的涡带力传递而来。

4.1.3 涡带力的确定

作用在不同部件上的涡带力需要采用不同的方法计算或试验测量。

直接作用在流道壁面（例如尾水管、蜗壳、引水管路等）上的涡带力，可以直接用流道壁面的面积乘以压力脉动的幅值得到，压力脉动幅值分布的测量将对计算结果产生决定性的影响。

对于间接作用在机组振动部件上的涡带力，现在还没有一个通用的计算方法，需要通过测量来确定。这样的方法主要有两个：一个是用应变法直接测量作用在振动部件上的涡带频率作用力，并建立涡带力和涡带压力脉动之间的相关关系，如图4.1所示；另一个是根据振动部件的刚度和其涡带频率振动幅值计算，例如，根据图4.2这样的试验结果可以计算出相应部件的刚度，乘以最大振动位移值就可得出相应的动载荷，如果采用的振动位移是涡带频率分量，计算得到的就是涡带力。

如果仅仅是评价涡带压力脉动对机组振动的影响，比较方便和可行的办法是，同时测量涡带压力脉动和机组、厂房振动，然后在它们之间建立相对关系，图4.1就是这样的关系。

根据这样的测量结果，还可以进一步分析机组振动、摆度与导瓦受力之间的相对关系，并由此评价激振力和转动部分机械缺陷的关系（图4.2）。

作用在机组振动部件上的涡带力与机组的尺寸有关。

涡带力代表涡带压力脉动产生的某种总作用力。在压力脉动幅值相同的条件下，总作用力与压力脉动的作用面积成比例，与线性尺寸的平方成比例。显然，大尺寸水轮机的涡带力和它对机组振动的影响也要大得多。

乌江渡和红林电站的水轮机型号分别为HL160-LJ-520和HL160-LJ-200，两者型号相同，但转轮尺寸不同，涡带压力脉动对它们振动的影响就有明显差别。

图4.3为乌江渡机组振动、摆度分频值随出力变化的趋势图，图中的虚线为涡带频率分量与转速频率分量（实线）之和，亦即虚线与实线之差为涡带频率分量。从数值上看，振动、摆度的涡带频率分量和转速频率分量大体相当。

图4.4为红林电站的测量结果，可以看出：涡带频率的分量明显地小于转速频率分量。

统计规律显示，水轮机转轮名义直径约在5m及以上的机组，涡带压力脉动对机组振动的贡献大于机械因素的贡献；水轮机名义直径小于4m的机组，涡带压力脉动对机组振动的贡献就居于次要地位。当然，这也与机组振动部件刚度随尺寸的变化有关。

涡带力及其作用也与机组的结构密切相关。

作用在机组部件上的涡带力首先作用在转轮上，然后通过转动部分传递到各导轴承和它们的支持部件（发电机上、下机架、水轮机顶盖等）上。因此，涡带力对振动部件的作用受机组结构型式（例如，发电机的支承型式：悬垂式、半伞式、全伞式、导轴承的数量和位置等）的影响。

综上所述，由涡带压力脉动到涡带力的转换或者是涡带力的确定，都要针对具体机组的具体振动部位来进行。正因为如此，确定作用在具体振动部件上的涡带力是不容易的。当利用模型试验结果计算原型水轮机的受力或涡带力时，就需要仔细考虑原型与模型水轮机水力作用力和它们之间结构的相似问题。