5.6 涡带压力脉动的评价

在人们对涡带压力脉动的方方面面进行试验、研究的同时，也希望对它和它对水轮发电机组安全运行的不良影响进行评价。相应的也就需要有一个用于进行评价的标准。

评价的目的和内容可能有三个方面：①对模型水轮机的涡带压力脉动进行评价；②对原型水轮机涡带的压力脉动进行评价；③根据模型水轮机的试验结果对未来原型水轮机的涡带压力脉动进行预测和评价。

对于单纯的模型水轮机，评价对象是转轮最优单位转速下的涡带压力脉动，水轮机的许多参数都是设定的；对用于一定电站的水轮机转轮，还需要考虑到在电站实际条件下的涡带压力脉动情况。

对涡带压力脉动进行评价和提出评价标准并不是一件容易的事，它涉及许多问题和因素。其中最主要的就是模型和原型水轮机涡带压力脉动的相似问题，因此也涉及涡带压力脉动测量上的相似问题等。它们都能导致测量结果和评价结果的不确定性。这种不确定性就不可避免地降低了评价标准和评价结果的可靠性与实用意义。所以，即使勉强提出一个参考标准，也只能供那些关心这个问题的研究人员参考。

这样的参考标准只能通过统计的方法提出，但凡是统计结果得出的规律（包括参考标准），都反映了如下的事实：

（1）只有一部分（比较多但不是全部）电站的涡带压力脉动符合这样的标准。

（2）标准规定的涡带压力脉动幅值没有给被统计的机组带来不允许的后果，但这可能也包括：电站已经采取了一些必要的措施，例如避免在这些工况区运行。此外，也并不是说，超过这个参考标准，机组的运行就一定是不稳定的。

（3）在一定的条件下，这样的涡带压力脉动水平，水轮机是可以达到的。

提出参考标准时，也需要考虑一些重要的影响因素：

（1）拟定参考标准的依据。拟定涡带压力脉动参考标准的唯一依据就是原型水轮机尾水管涡带压力脉动的实测结果。这个实测结果反映了各种因素的综合影响。

从实用的稳定性原则说，模型水轮机的涡带压力脉动，也应该根据原型水轮机涡带压力脉动参考标准来评价。

而模型试验的统计结果也显示，它与原型水轮机尾水管压力脉动的统计结果相近，这就为采用统一的参考标准提供了可能性。

一般认为，不论评价对象是哪一种幅值，根据原型水轮机涡带压力脉动幅值的统计结果拟定评价标准，总是一个比较可靠又容易得到各有关方面接受的方法和结果。

（2）评价对象。从反映水轮机的水力稳定性方面看，特别是对于模型水轮机，采用水轮机设计水头下的最大涡带压力脉动幅值作为拟定参考标准的依据和评价对象比较合理。从水轮发电机组振动稳定性的角度，对于原型电站水轮机，采用全水头范围内的最大涡带压力脉动或尾水管压力脉动也完全是可以的。

但从测量的方便性上来看，采用的评价对象实际上都是涡带工况范围内的尾水管压力脉动。

（3）评价幅值。可作为评价对象的原型水轮机涡带压力脉动有两种：一种是它的相对幅值；另一种是它的绝对幅值。

相对幅值的应用比较广泛，也希望通过相对幅值进行不同工况参数下压力脉动幅值的比较。存在的主要问题是，在绝对幅值相同的情况下，水头低时，相对值大，水头高时，情况相反。但这并不反映它对机组振动稳定性影响的实际大小；此外，相对值也并不意味着必然的相似。

统计和分析结果显示，尽管各种水头段的水轮机最大涡带压力脉动的相对幅值（ΔH/H）差别比较大，但换算为绝对幅值后的数值就比较接近了。这就为以绝对幅值作为评价幅值提供了可能性。

5.6.1 由统计结果拟定的参考评价标准

1.部分统计结果

图5.51和图5.52分别为部分原型和模型水轮机尾水管压力脉动幅值的统计结果，它们并不是单纯的涡带压力脉动，更不是由频谱分析得来的涡带压力脉动的基波值，而是涡带工况范围内的尾水管压力脉动幅值，但其主频为涡带压力脉动。它们都是早期某次试验的结果，并不一定代表当前水轮机的压力脉动水平。

在原型电站，由于测量时水轮机的工况参数、测点的位置等，并不与模型水轮机相对应，数据上存在不统一、不确定的地方，这是统计结果中比较常见的情况。

作为统计结果，必然存在这样的情况：其中还有小部分水轮机的压力脉动幅值远远大于其他统计结果，这样的例子在后来的新建电站中也常常出现。

2.两种参考标准方案

根据对涡带压力脉动幅值的统计和分析结果，参考标准有两种可能的方案。

（1）方案一。方案一如图5.53中的斜实线所示，斜虚线表示可浮动的范围，它们都是水头的单值函数。方案一以压力脉动通频值的相对幅值作为评价对象，其基本规律是随水头的升高，参考标准值降低。

（2）方案二。图5.53所示水平虚线为参考标准方案二，上面一条为建议的浮动范围。这个方案的特点和优点是，当采用绝对幅值ΔH为评价幅值时，参考标准是一个固定值，即不管是什么型号、什么水头段的混流式水轮机，都具有相同的参考标准值。

在应用上述参考标准时，建议注意如下情况：

1）被评价的应当是涡带工况区尾水管压力脉动的通频值。不应当是涡带频率的基波值、有效值或任何其他分频值，因为它们都不能代表涡带压力脉动的全部和全貌。

2）在评定某个水轮机的涡带压力脉动水平时，可取涡带压力脉动的通频最大值或97%置信度下的最大值。

3）考虑各种不确定因素的存在，参考标准可以有一个浮动范围，也不建议对参考标准中的所谓“标准”“过分认真”。

4）不能指望利用统计结果得出的参考标准去评价所有电站水轮机的涡带压力脉动，总有一些电站与参考标准的规定相去甚远。

5.6.2 不对涡带压力脉动进行评价的设想

不对涡带压力脉动进行评价的设想，是基于以下方面的考虑：

（1）在部分负荷工况，转轮的水力设计不可能对涡带压力脉动的产生要素进行有效的控制。在这种情况下，规定严格的涡带压力脉动控制标准没有实际意义。

（2）由于在装置空化系数相等条件下进行的模型试验，不能保证模型和原型水轮机涡带压力脉动幅值的相似和转换。因此，即使为模型水轮机的涡带压力脉动设定一个标准，无论对模型或是原型水轮机都没有必然的确定意义，也不能得到有效的保证。

（3）前已述及，保证和判断机组运行稳定性的指标是机组的机械振动。即便是涡带压力脉动能够达到预定指标，但并不能保证机组的机械振动也达到预定指标。更何况，压力脉动幅值本身也不是能得到保证的。

（4）许多模型和原型水轮机的涡带压力脉动，不仅超过了模型水轮机的预定指标，原型水轮机更超过了模型试验得到的结果，而最终的结果往往是不了了之。现场机组仍然是在各自的条件下“安全运行”着。这从另一方面说明，即使没有这样的标准，机组还是“有办法”运行下去的。

（5）从图5.51和图5.52的统计结果也可看出，相当多原型水轮机的涡带压力脉动绝对幅值都是在一定的范围内。对于这样的电站和水轮机，涡带压力脉动标准有和无，对机组的稳定运行并没有实质性的影响。对于少数原型水轮机的涡带压力脉动幅值比较大或特别大的情况，除了避开运行外，其他方面，实际上也是无能为力的。

从以上这些情况看，不对模型水轮机的涡带压力脉动进行评价，也并非绝对不可以。当然，为了分析涡带压力脉动对原型机组振动的贡献，在模型和原型水轮机上进行涡带压力脉动测量还是必要的，但也仅此而已。