5.4 其他措施研究

5.4.1 轴向射流技术方案

近几年来，又有学者提出采用轴向射流控制方法来减弱尾水管涡带的压力脉动。其中罗马尼亚的Romeo SUSAN-RESIGA^［10］及Sebastian MUNTEAN^［11］采用数值模拟和模型试验详细研究了该项技术。

1.原理

Romeo SUSAN-RESIGA等认为，混流式水轮机部分负荷下尾水管内观察到的螺旋形涡核是一种位于中心分离区和主涡流之间的涡流层。据此提出了一种新的流动控制技术，即利用上冠泄水锥向尾水管锥管内补入高压水，称之为轴向射流控制技术。它的原理是在轴心补入的高压水能够改变旋涡的运动频率，减小准滞水中心区域，可以避免涡带的发展。它与上冠泄水锥补气在本质上是不同的，只针对控制或消除涡而不会改变系统的水力声学特性。

该技术可以利用水轮机转轴孔进行，技术方案布置如图5.44所示。

2.数值模拟研究

Romeo SUSAN-RESIGA等人对该技术进行了数值模拟，根据计算结果进行具体分析。计算区域为转轮和尾水管，采用商用软件CFX10进行计算。湍流模型采用k-ε模型，高精度空间差分格式，瞬变项使用二阶向后欧拉格式，该数值计算方法已经得到有效验证，计算对象为单相流体。

图5.45所示计算结果显示，在补高压水后，涡带发生明显变化，变为略有偏心的圆锥形，尾水锥管内的低压区更加靠近中心线，压力分布趋于轴对称，整个流场压力分布较补水前均匀，锥管内涡带压力脉动明显降低。

图5.46为尾水管壁面压力及叶片转矩的时域结果，从图中可以看到，采用射流控制后，锥管壁面压力脉动明显降低和作用在单个叶片上的转矩脉动也明显减小。

图5.47为射流控制对尾水管内水流平均速度分布的影响效果。可以看出，采用射流控制后，速度的切向分量和轴向分量虽然在中心轴附近处有突然变化，但是约在10%R左右处开始逐渐稳定，没有太大波动，表明尾水管内水流状态较好，脉动较小。

Romeo SUSAN-RESIGA等对大量射流参数和射流流量的分析后认为，射流口直径在6%～28%（D_jet/D）和射流流量在1%～28%（Q_jet/Q）范围内，可找到技术上可行的方案（D为转轮直径，Q为水轮机额定流量）。

3.模型试验研究

Sebastian MUNTEAN在Timisoara工业大学（UPT）—复杂流体工程系统国家中心（NCESCF）试验台上对轴向射流控制技术进行了模型试验验证。为了研究轴向射流控制技术的效果，试验中使用了一种特殊的装置，可以产生类似混流式水轮机在部分负荷工况下运行时转轮下游产生的涡流。研究表明，射流流量Q_jet至少要在10%Q以上，才能够明显地减弱尾水管涡带压力脉动。该方法耗水量较大，在减弱涡带压力脉动的同时，可能会对效率产生较大影响。

5.4.2 尾水管电磁抑涡装置

清华大学的张梁、刘树红等人^［12］发明了一种混流式水轮机尾水管电磁抑涡装置。

该装置由直流电源1、电磁发生器3以及它们之间的连接导线2组成，如图5.48（a）所示。电磁发生器［图5.48（b）］包括直流正电极6、N极向外的永磁体7、直流负电极8、S极向外的永磁体9、底盖板4、顶盖板5以及设置在每个电极和磁极上的绝缘密封组成，图5.48（c）为电磁发生器的A—A断面图。电磁发生器采用筒式结构，外径与混流式转轮体中心出口相同，由直流电极和磁极相互间隔排列，排列顺序如下：直流正电极、N极向外的永磁体、直流负电极、S极向外的永磁体依次圆周排列。另外，所述的电磁发生器的筒壁厚度为5～8cm，长度为转轮进口直径的0.5～1.0倍。直流电极和磁极的极对数为4～10对。

发明人认为，该装置的优点及突出效果：混流式水轮机在这种抑涡装置的作用下，可以加大尾水管中心流速，削弱尾水管回流区，抑制尾水管涡带的强度，减小尾水管压力脉动，从而改善转轮出口的流动状况，使混流式水轮机的尾水管涡带被有效地抑制，提高混流式水轮机组的运行稳定性。同时抑涡装置具有结构简单、装卸方便、加工成本低、适用范围广的特点，可以满足在大流量工况和小流量工况的稳定运行要求。