1.2 混流式水轮机压力脉动的分类

1.2.1 压力脉动的分类

混流式水轮机中可能出现的压力脉动有多种，它们通常由不同的原因所引起，具有不同的频率、幅值特性和工况特性，对机组运行的影响也不一样，改善和处理方法也有一定的差异或相当大的差异。

研究或测量水轮机压力脉动的具体目的也不尽相同，既有一般性的“广谱性”的研究（本书就属于这样的情况），也有针对某个具体问题或某个专项压力脉动的研究。根据研究目的或研究对象的不同，相应的压力脉动有多种不同的分类方法，例如，根据压力脉动的性质及其产生机理，根据压力脉动产生的条件，根据压力脉动的频率，根据压力脉动产生的位置等。

对压力脉动进行分类，不但有助于宏观地了解和掌握混流式水轮机的总体水力稳定性状况，认识它们产生的机理、原因、主要或基本的影响因素，而且有助于选择合理的方法对其进行预防和处理。

1.2.1.1 按压力脉动的性质和产生机理分类

按压力脉动的性质和产生机理分类，可以比较全面地反映混流式水轮机水力稳定性的本质和实质。按照这种条件分类，混流式水轮机的压力脉动主要可分成常规的和异常的两类，此外还有所谓“其他压力脉动”。这是在对混流式水轮机压力脉动进行比较全面的分析、研究后提出和采用的一个分类方法。

1.2.1.2 根据压力脉动产生的时机和条件分类

1.初始压力脉动

初始压力脉动是指水轮机运行时必然或自然而然产生的压力脉动，有的文章中称之为“源压力脉动”，所有的“常规压力脉动”都属于初始压力脉动，尾水管同步压力脉动是其中重要的组成部分。初始压力脉动还有另外的含义：它可能引起其他的压力脉动，并成为这种压力脉动的组成部分。1.2.1.3节列出了主要的常规压力脉动，但并不是初始压力脉动的全部。

几乎所有的异常压力脉动都是由某种初始压力脉动所激发，它们对机组运行稳定性和安全性的最大影响就主要体现在这方面。

提出“初始压力脉动”还有一个主要原因：当它激发起异常压力脉动后，所检测到的压力脉动幅值中，既有被它激发的压力脉动，也包括初始压力脉动或源压力脉动的幅值在内，而且很可能也对作为激发力的被激发压力脉动的相位产生影响。

2.次生压力脉动

次生压力脉动是由初始压力脉动引起，并在一定的条件下产生新的、很可能是更强烈的压力脉动。混流式水轮机中所有的“异常压力脉动”都属于“次生压力脉动”。如上所述，如果要把异常压力脉动中的“次生压力脉动”与“初始压力脉动”区分开来，需要采取一定的测试方法才行。

1.2.1.3 根据压力脉动产生的位置分类

1.初始压力脉动可能产生的位置

（1）叶片频率压力脉动，产生于导叶与转轮进口之间的无叶区和转轮叶片出水边。

（2）卡门涡，主要产生于固定导叶、活动导叶和转轮叶片的出口边。

（3）小开度区和大开度区压力脉动，产生于转轮进口和尾水管。

（4）尾水管同步压力脉动，产生于尾水管肘管部分。

（5）转轮迷宫间隙压力脉动，产生于转轮迷宫间隙中。

2.次生压力脉动产生的位置

次生压力脉动的产生位置，指的是产生异常压力脉动的共振水体所处的位置。

（1）类转频压力脉动，产生于引水管路中，并传播到水轮机流道各处。

（2）高部分负荷压力脉动，产生于尾水管，并传播到水轮机流道各处，共振水体为尾水管水、气联合体。

（3）低部分负荷压力脉动，产生于尾水管，共振水体与高部分负荷压力脉动相同，但激发力频率不同。

（4）无叶区水体共振，共振水体为无叶区环形水体。

（5）涡带频率的尾水管水体共振，产生于尾水管，共振水体为尾水管水、气联合体。

1.2.1.4 根据频率分类

根据频率的高低划分压力脉动的种类也是比较常见的。最通常的划分方法是将压力脉动划分为高频、中频和低频三部分。这是一种相对而又相当灵活的划分方法，具体到不同的研究目的和场合，三种频率的范围很有可能是不同的，甚至有很大的差别。例如，有的将涡带频率称为低频，转速频率称为中频，高于转速频率的称为高频，也有的将几倍转速频率以下的频率称为低频等。因此，在看到这样的分类和名称时，需要根据研究报告或文章中的说明判断它的实际频率范围。

1.2.1.5 其他临时分类或命名方法

对于一些新出现的、尚未判明性质或产生机理的压力脉动，常常被命名为一些具有临时性质的称呼。例如，“类转频压力脉动”就是根据它的频率和频率范围比较接近于转速频率临时命名的；再如，高部分负荷压力脉动，曾经被称为“奇异压力脉动”、“特殊压力脉动”，有的还直接称为“高部分负荷不稳定性”。只要对它们的产生条件和主要特性加以说明，而不至于产生误解和混淆，采用临时性称呼完全是可以的。当然，在掌握它们的性质、产生机理和主要影响因素后，能给它们一个正式的、统一的和便于认知的名称更好。

1.2.2 常规压力脉动

常规压力脉动是指水轮机在一定的工况下运行时必然产生的压力脉动。按照出现的开度范围可分为：小开度区压力脉动、中间开度区压力脉动和大开度区压力脉动三种。其中，中间开度区的压力脉动主要就是涡带压力脉动，它是最常见、最重要的一个。

水轮机的常规压力脉动也是水轮机水力损失的一种体现形式。因此它与水轮机的效率曲线有比较明显的对应关系。模型试验结果也显示，水轮机常规压力脉动随导叶开度变化的基本趋势大致与水轮机的效率曲线成镜像关系：效率低时，压力脉动幅值大，效率高时，压力脉动幅值小，最高效率时，压力脉动幅值最小。当然，这并不是说水轮机的损失都消耗在压力脉动上，而只是说，压力脉动和水轮机的水力损失成某种正向比例关系。

水轮机的效率试验结果也显示，在涡带工况区，水轮机的效率曲线有一些降低；当用适量的补气消除了涡带压力脉动时，这个工况区的效率就有所提高。这表明，这个工况区水轮机效率的降低和提高与涡带压力脉动有直接的关系。

类似的，最优工况区没有什么明显的压力脉动也说明了压力脉动和水轮机效率的相关关系。

图1.1是笔者根据多年的现场和模型试验结果总结得出的，约相当于水轮机设计水头时的情况。它用一个比较简便的图形标识出各种常规压力脉动在全开度范围内的相对分布，根据这个图形就可以对几种常规压力脉动做出初步判断。

常规压力脉动可能对机组的振动稳定性产生影响，影响的大小或严重程度与水轮机的具体条件有关，需要具体分析。

决定各负荷区压力脉动的是水轮机的流态，而流态则主要和水轮机的导叶开度相关。因此，对于原型水轮机，按照导叶开度对常规压力脉动进行分类，比较符合它们产生的条件，因而更加合理。在水头变化范围比较大的情况下，它的合理性更为突出。

在本书引用的各种试验报告和文章中，压力脉动通常表示为机组功率、出力、负荷等的函数，称之为“压力脉动随负荷的变化趋势”。这就自然地“按负荷”划分了常规压力脉动。

在本书中，讨论压力脉动的一般规律时采用导叶开度表示工况，而且定义：小开度区为40%及以下的导叶开度范围；中间开度区（部分负荷区或涡带工况区）为40%～80%导叶开度范围；80%～90%导叶开度区为最优工况区，没有明显的压力脉动；大开度区为90%以上导叶开度范围。当水头变化时，同样开度下各负荷区的绝对值将相应发生变化。在引用某个试验报告或文章时，如果该报告或文章把压力脉动表示为随负荷（功率、出力）变化的函数，本书也仍然沿用这样的表示方法。

还有一些按其他条件命名的常规压力脉动，如叶片频率压力脉动、迷宫间隙压力脉动、卡门涡等。它们的产生机理、主要特性或它们对机组运行的影响，虽然也需要在一定的工况条件下才显现出来，但它们与上述三种常规压力脉动不完全相同或完全不同。本书设专门的章节对它们进行了讨论，但在涉及混流式水轮机水力稳定性的常规压力脉动和异常压力脉动时，常常把它们与上述三种常规压力脉动区分开来。

1.2.2.1 小开度区压力脉动

小开度区压力脉动即是出现在40%开度以下负荷区的压力脉动，而且，多数情况下都指的是在尾水管中检测到的压力脉动。小开度区压力脉动是混流式水轮机所固有的，但不是它所特有的。

小开度区压力脉动随开度的增大而减小，这是它的基本规律。但由于多种因素（目前还不完全清楚这些因素都是什么）的影响，小开度区压力脉动随开度的变化趋势还有其他的可能性，图1.1中小开度区的虚线2、3便是比较有代表性的两种情况。后面的实际例子中也可以看到这样的情况。

幅值和频率变化的随机性是它的最大特点，从统计规律看，它属于稳定的随机信号，但其中也伴有一些规律性的成分。它的频率多在几十赫兹以内，也有出现在更高频率范围的可能性。图1.2为20%额定负荷时的尾水管压力脉动波形图和频谱图（华中科技大学试验数据）。它的主频率范围就在20Hz以下，但并非所有水轮机小开度区压力脉动的频谱都是如此。

小开度区压力脉动主要由两方面的原因所引起：①转轮进口水流与转轮叶片的冲击、脱流和次生水冲击；②尾水管中水流的圆周速度与尾水管肘管相互作用产生的同步压力脉动。

1.2.2.2 中间开度（部分负荷）区压力脉动

在设计水头下，中间开度区就是部分负荷区，而部分负荷区压力脉动可以说是涡带压力脉动的代名词。它出现在40%～80%的开度范围，基本上是混流式水轮机所特有的（部分大型轴流式转桨式水轮机上也有出现）。在这个开度区的常规压力脉动中，涡带压力脉动占有绝对优势。

转轮出口水流或尾水管水流同时具有一定的轴向速度和圆周速度，是涡带压力脉动产生的条件和根本原因。它的特点非常明显：在设计水头下，最大压力脉动幅值出现在50%开度或负荷左右；代表性频率约为转速频率的1/4。其对机组的振动和摆度影响比较大，但并不一定是影响机组安全运行最危险的因素。本书将对这种压力脉动进行详细介绍。

1.2.2.3 大开度区压力脉动

大开度区（90%以上的开度范围）压力脉动都出现在水轮机运行在低于额定水头的情况下。随水轮机运行水头偏离设计水头越来越远，转轮出口水流将具有越来越大的负环量，转轮进口同样会产生越来越强烈的冲击、脱流和次生水冲击，使这个开度区的压力脉动幅值又有所增大。这些都与小开度区的情况类似，只是水流的圆周速度方向与小开度区相反，水流冲击在叶片的背面，在叶片的正面产生脱流和次生水冲击，产生随机性比较明显的压力脉动并含有部分周期性比较强的压力脉动成分，有的水轮机在这个开度区产生的异常压力脉动也是由后者激发的。

1.2.2.4 其他常规压力脉动

1.叶片频率压力脉动

广义的叶片频率压力脉动主要如下：

（1）转轮叶片频率（常简称为叶片频率）压力脉动，由水流对转轮叶片进口冲击、出口速度分布不均匀和转轮叶片对进口水流的冲击等原因所引起，频率等于叶片数与转速频率的乘积，但水流对叶片的冲击与叶片对水流的冲击这两者的性质和变化规律都不同。

（2）导叶频率压力脉动，由导叶出口水流速度分布不均匀所产生。但是，单纯的、原生的导叶频率压力脉动只有转轮或转动部分才能感受到：其中，单个转轮叶片感受到的导叶频率压力脉动频率等于导叶数与转速频率的乘积，整个转轮感受到的导叶频率压力脉动则是转轮叶片数、导叶数和转速频率三者的乘积。因此，如果不是专门测量，原生的导叶频率压力脉动在固定部分测点上是测量不到的。

（3）导叶、转轮叶片组合频率压力脉动，它由导叶出口和转轮进口不均匀分布水流的相互作用和叠加产生，频率等于转轮叶片数、导叶数和转速频率三者的乘积。组合频率的压力脉动可以在固定部分上感受到。这种组合频率的压力脉动和作用在转轮上的导叶频率压力脉动，虽然在频率上完全相同，但它们的产生和作用有本质区别。

上述三种叶片频率压力脉动的幅值通常都很小，如果不引起部件共振，它的影响常可忽略不计。但在水泵水轮机上，它的影响可能是不可忽视的。

2.转轮迷宫间隙压力脉动

转轮迷宫中的压力脉动由转轮迷宫间隙的周期性变化引起，迷宫间隙的周期性变化则是由转轮的摆度和转轮的不圆度所引起，而转轮摆度又和机组的大轴摆度直接相关。因此，归根结底迷宫间隙压力脉动是由机械缺陷引起的，并不反映水轮机转轮本身的水力稳定性。正常情况下，迷宫间隙压力脉动为转速频率。

如果由于某种原因机组的转动部分产生了自激弓状回旋，则迷宫间隙中的压力脉动频率将变成转动部分的临界转速频率，且幅值会异常增大。但在这种情况下，临界转速频率的压力脉动是由转动部分的自激弓状回旋所引起，而不是迷宫间隙压力脉动引起了自激弓状回旋。详见第10章。

3.卡门涡及其压力脉动

卡门涡是出现在绕流体尾部的一种规律性的流动分离现象。在卡门涡由绕流体上分离时，一个相应的横向力作用在绕流体上，同时在流体中产生一个压力脉冲。当卡门涡在绕流体两侧持续不断地产生时，就有一个交变力作用在绕流体上，同时在水流中产生相同频率的压力脉动。在水轮机中，它出现在固定导叶、活动导叶和转轮叶片的出水边。只要水轮机在运行，卡门涡及其压力脉动也就是一种必然会出现的现象。但本质上说，卡门涡也并不反映水轮机、特别是转轮的水力稳定性。

只有在卡门涡（产生的交变力）引起结构（各种叶片）或水体的共振时，它的巨大影响才显示出来。因此，常常把卡门涡和共振联系在一起。但是，共振只是卡门涡引起的异常振动现象，而并不是卡门涡本身。消除共振，既是预防卡门涡共振的目标，也是解决已出现卡门涡共振问题的唯一途径。故通常最关注的是卡门涡的频率，而不是它的幅值。详见第11章。

4.其他未知的压力脉动

混流式水轮机中还可能产生其他没有在本书中讨论过的压力脉动。特别是在水轮机的运行水头偏离设计水头和相应的最优工况比较远，以及结构上有所变化时，出现“其他压力脉动”的可能性比较大。这种情况下，可参考本书中介绍的一些方法，根据它们的特性和随工况参数变化的规律进行分析。

1.2.3 异常压力脉动

异常压力脉动多指由水轮机流道中水体共振产生的压力脉动，它们只在一定的工况和一定的条件下发生。水体共振的基本条件是水体的固有频率和激发力（也是一种压力脉动）的频率相等。而这两个频率都和水轮机的工况密切相关。后面介绍的类转频压力脉动、高部分负荷压力脉动就是较常出现的异常压力脉动。

当异常压力脉动幅值非常大时会引起机组强烈的振动，通常不容许机组在这样的情况下运行。处理办法是从消除共振现象入手，“避开运行”是最常用的办法。当异常压力脉动幅值并不很大时，对机组的安全运行就没有实质性的影响。

通过统计和分析可得出异常压力脉动的基本情况如下：

（1）水轮机中的异常压力脉动可由多种原因引起，水体共振产生的异常压力脉动占大多数。

（2）水轮机流道中可以发生共振的水体有多处，其中尾水管水、气联合体发生共振的几率最大，是最重要的共振体。

（3）激发水轮机流道水体共振的激发力有多种，最重要的激发力是尾水管同步压力脉动。

在多种异常压力脉动中，反映水轮机水力稳定性的主要是尾水管水、气联合体共振产生的压力脉动。

1.2.3.1 尾水管同步压力脉动激发的异常压力脉动

1.类转频压力脉动

“类转频压力脉动”是根据这种压力脉动的频率接近于转速频率的特征临时命名的。

类转频压力脉动由引水管路水体共振形成。它大部分出现在40%开度以下的小开度区之中，也有部分电站和水轮机，在90%以上的大开度区出现。

类转频压力脉动的幅值都比较大或非常大，理论上可能超过水轮机的运行水头，可引起机组的强烈振动。

2.高部分负荷压力脉动

顾名思义，高部分负荷压力脉动出现在高部分负荷区或涡带压力脉动区的大负荷侧。

高部分负荷压力脉动是由尾水管水、气联合体共振产生的，由尾水管同步压力脉动激发，对空化系数或吸出高度的变化特别敏感，其频率范围略高于类转频压力脉动。

当高部分负荷压力脉动的幅值比较大时，会引起机组比较明显的、富有特色的振动。

3.低部分负荷压力脉动

与高部分负荷压力脉动相对应，低部分负荷压力脉动出现在中间开度区的小负荷侧，或者小开度区的大负荷端，由尾水管中的水、气联合体共振产生，由尾水管同步压力脉动激发。它的基本特性与高部分负荷压力脉动相同，只是它的频率比较低，幅值相对较小。这是笔者提出的一种压力脉动，在模型和现场试验中都可发现它的存在，并可通过压力脉动频率的分析结果来证实。

对模型和原型水轮机试验结果综合分析后得出：除高部分负荷压力脉动和低部分负荷压力脉动外，在小开度区和大开度区，产生其他由尾水管同步压力脉动激发的异常压力脉动的可能性完全存在，也已有相关的实例。

4.涡带频率的尾水管水、气联合体共振产生的压力脉动

模型试验中，在一定的涡带工况（通常是在涡带压力脉动幅值最大的工况）下，当从大到小连续地改变空化系数，并当涡带中心出现空腔时，涡带频率压力脉动幅值就开始迅速增大，在某个临界空化系数时达到最大，然后随空化系数的继续减小，压力脉动幅值又开始迅速减小（图3.13）。这种出现压力脉动峰值的现象就是所谓的涡带压力脉动的临界现象。

涡带压力脉动的临界现象，实际上是尾水管水、气联合体对涡带频率的同步压力脉动动力响应的过程和结果，激发力为涡带频率的同步压力脉动。在这个过程中，压力脉动频率等于涡带压力脉动频率是它最大的特征。

由此可知，涡带压力脉动临界现象，本质上已经不是真正的涡带压力脉动（详见第3章），而是一个由涡带频率的同步压力脉动激发尾水管水、气联合体共振所产生的一个全新的压力脉动。两种压力脉动的产生机理完全不同，并具有完全不同的相位特征。

后面介绍的涡带压力脉动引起发电机功率振荡、引水钢管明管强烈振动的例子中，激发力（压力脉动）的频率都是涡带频率，但引起振动的却是尾水管同步压力脉动和涡带频率的异常压力脉动，而不是真正意义上的涡带压力脉动。

1.2.3.2 其他原因产生的异常压力脉动

1.无叶区环形水体共振

无叶区环形水体共振现有的唯一例子是由水轮机固定导叶卡门涡所激发的，详见11.2.3节。

2.自激振动引起的异常压力脉动

自激振动是由振动体本身的初始振动引起或激发的，自激振动的能源为不具交变性质的稳恒有压水或其他流体。伴随自激振动的产生和持续，有压水周期地输入到振动系统中，于是也在固定部分上测到了强烈的压力脉动。当自激振动停止时，压力脉动也随之消失。因此，这种压力脉动与自激振动相伴而生，但它却不是自激振动的激发力。自激振动产生的压力脉动只是一种出现在水轮机中的强烈压力脉动，也对机组的振动稳定性产生影响，但它不属于笔者定义的异常压力脉动，也不反映混流式水轮机的水力稳定性。在混流式水轮机中，自激振动大多出现在机组的转动部分，激发力的能源为迷宫进口前的压力水，由转轮的初始摆度所激发（详见第10章）。