5.3 结构措施研究

除补气外，一些研究者在不同的文献中还介绍了其他消除涡带压力脉动的措施，包括在尾水管中和转轮泄水锥上安装各种结构物等。它们有的有效果，有的效果不明显，有的应用受到结构方面的限制。但不管怎样，都表明许多人都在致力于寻找用结构物的办法解决涡带压力脉动的方案。

所有这些结构措施方案，几乎都有共同的缺点：结构强度上难于得到保证，不大可能应用在大中型水轮机上。

5.3.1 同轴扩散管（同轴套筒）

瑞士的W.莱歇尔和西德的K.包曼^［1］曾对同轴扩散管进行了模型与原型的试验研究，模型试验结果显示，装设同轴扩散管后，涡带压力脉动大大减小，频率降低，涡带的直径和长度也大大减小，在所有范围内效率也有所提高。还得出，扩散管形状稍有改变就会显著地影响试验结果。

图5.33为安装在横轴水轮机尾水管中的同轴扩散管，作者的意图是：防止螺旋形涡带的旋进运动，但保留水流的旋转速度，不对水流产生扰动。

原型和模型试验结果显示：

（1）幅值约减小70%，压力脉动频率（图中纵坐标中的n为转速频率）有所降低，如图5.34所示。

（2）水轮机的效率有所提高，如图5.35所示，图中曲线1、曲线2为原型水轮机的试验结果，曲线3、曲线4为模型试验结果，曲线2、曲线4为安装同轴扩散管的情况。

文献还提出，扩散管形状的微小改变就会显著地影响试验结果；实际使用时还必须考虑结构强度问题。

美国某公司曾在350m水头的一台混流式机组尾水管内安装了一个同轴套筒，套筒直径为尾水管直径的1/2，如图5.36^［6］所示。安装同轴套筒后，尾水管压力脉动幅值仅为原来的1/3。

同轴套筒和同轴扩散管的作用原理实际上是一样的，即将自由旋流区与中心部位的回流死水区分隔，使回流死水区得不到自由旋流区的旋转能量，而使它的水流旋转减缓，涡带及其运动被抑制。同轴套筒的最优直径接近于半负荷工况下死水区的截面直径，即接近于尾水管入口半径的1/2。套筒直径过大或过小，均会降低其效果。

5.3.2 筋板（稳流片）

最简单的筋板就是焊在尾水管直锥段管壁上的、垂直于管壁的钢板，如图5.37所示。早在1940年以前，稳流片就已被应用到原型水轮机上^［7］。它的作用是通过对水流旋转速度分量C_u2的阻尼或导向而实现的。后来又为了提高其适应性，派生出其他形状的结构，如图5.38^［8］所示。

20世纪60年代初，古力电站1号厂房的多数水轮机都在50%导叶开度下运行，稳流片在安全稳定运行方面起了很大作用。随后在每一个尾水管内部安装了两只稳流片，从而成功地解决了经常出现的部分负荷运行问题。

据苏联Д.Г.洛强斯基的研究（《液体与气体力学》，人民教育出版社，1957年），筋板（稳流片）对垂直于水流的圆周分速的阻力可表示为

式中 b——稳流片高度；

l——稳流片单位宽度。

阻水栅是筋板的又一类变种。安装在尾水管管壁上的筋板所承受的圆周速度的冲击力是最大的，因而也容易引起筋板和尾水管里衬的损坏。为了减小这种负作用，可将筋板脱离管壁，把筋板固定在上下两层十字架上，如图5.39所示，这就是所谓的阻水栅。因为阻水栅比较靠近尾水管的中部，除对主水流的圆周速度有一定的阻尼和导向作用外，对死水区水流的圆周速度也有相同的作用。

在解决四川狮子滩电站机组的功率摆动问题时，就曾经采用过阻水栅，并成功地消除了涡带压力脉动，从而也消除了发电机的功率摆动。其主要问题是，需要保证阻水栅的结构强度。

5.3.3 导流栅（导流片）^［9］

可以认为，导流栅是由同轴套筒演变而来的：每片导流片相当于同轴套筒圆周方向的一部分，其效果大致与同轴套筒相同。由试验得到：导流片的宽度、长度、安装位置、距转轮远近等因素对减小涡带压力脉动的效果都有明显的影响。图5.40为最简单的导流栅及其减小涡带压力脉动的效果。

导流栅的主要作用是使回流区处于比较均匀、对称的流场中，抑制涡核的偏心。

通过对模型水轮机尾水管涡带的观察可以看到，在发生大的涡带压力脉动时，在弯肘型尾水管中，螺旋形涡带偏向下游一侧，偏心距为e′，如图5.41所示。安装导流栅后，螺旋形涡带的轴心便趋于与尾水管形心重合，偏心距e′消失，如图5.41（b）所示。C_u2的测量结果显示，装导流栅后，C_u2的分布便趋向于与尾水管同心，如图5.42所示。可见，导流栅的作用是将尾水管直锥段内的不对称流速分布，趋向于轴对称，通过减小涡带的偏心矩来达到减小涡带压力脉动的目的。

经过模型试验和原型机组试验得出：导流栅上端靠近尾水管进口为好；径向位置以距尾水管壁的距离为R/2～2R/5时，效果为最好；导流栅垂直方向的高度不宜小于转轮直径的40%。导流栅沿圆周方向的总弧长，应不小于导流栅所在位置圆周周长的1/3。

在中国水科院进行的刘家峡、龙羊峡、狮子滩等电站的模型试验中，还进行了许多不同样式和尺寸的导流栅模型试验，如图5.43所示，都取得了比较好的效果。