本發(fā)明屬于水輪機穩(wěn)定性技術領域，特別涉及一種基于大流量偏工況水輪機泄水錐打2孔的方法。

背景技術：

在水力發(fā)電重要性日益凸顯的今天，提升水電站運行效率及水輪機運行穩(wěn)定性的要求變得尤為突出。影響水輪機內部穩(wěn)定運行的因素中，水力因素最為突出，包括旋轉部件和靜止部件之間的動靜干涉、葉片表面脫流、空化葉道渦以及空化尾水管渦帶等。在水輪機運行中，這些流動現象多數發(fā)生在偏離設計工況的偏工況下，會在相應的流場中誘發(fā)嚴重的壓力脈動，壓力脈動進而傳播作用于水輪機機組本身，引起機組的振動和運行噪聲，甚至誘發(fā)廠房振動。壓力脈動是引起不穩(wěn)定運行和振動噪聲的主要來源。

水輪機中三維流場造成的壓力脈動來源于多個方面，如轉輪進口處脫流，誘發(fā)的流場將往上下游兩個方向傳播，引起上游部件和下游部件的水力激振；而在轉輪內部，葉道渦則是最大的不穩(wěn)定源，葉道渦的發(fā)生也常常伴隨著空化流動，此處引起的壓力脈動將直接作用與轉輪上，形成高頻的振動；在下游部件，如尾水管內部，空化渦帶將從泄水錐下方生成，形成螺旋運動，這些螺旋渦帶將周期性地作用于錐管段及肘管段，造成下游部件的振動，并誘發(fā)噪聲。實驗表明，尾水管渦帶的運行頻率是低頻振動，在不同流動工況下，引起的振動及噪聲不同，但總體而言，尾水渦帶運動是最低頻的運動，因為對機組造成的影響也最嚴重。如巖灘水電站和李家峽水電站在機組運行半年與至兩年的時間內，幾臺水輪機機組相繼出現了轉輪葉片與上冠間焊縫和葉片與下環(huán)間焊縫的開裂。經過對轉輪裂紋原因的分析，發(fā)現主要是制造和運行方面的原因，運行時的劇烈壓力脈動是造成裂紋的直接因素。

在混流式水輪機中，尾水管渦帶誘發(fā)的壓力脈動是造成振動及噪聲的最主要來源，目前已經有眾多研究對尾水管渦帶進行機理及演化進行分析，并提出了減小或消除尾水管渦帶的措施，如改變尾水管中的水流運動狀態(tài)、控制渦帶的偏心距、引入適當阻尼或者改進轉輪的水力設計，然而這些措施并不能有效的減弱壓力脈動，反而有些會帶來附加噪聲。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種基于大流量偏工況水輪機泄水錐打2孔的方法，解決水輪機組內部的非定常流動問題，尤其是尾水管內渦帶及相應壓力脈動問題。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現：一種基于大流量偏工況水輪機泄水錐打2孔的方法，

步驟1、采用單位轉速n11和單位流量q11來描述全流道內流動工況，通過調節(jié)裝置空化系數σ改變測試中的環(huán)境壓力水平，通過調節(jié)活動導葉開度a改變單位轉速和單位流量；

單位轉速n11定義為：

式中d1——模型水輪機的轉輪直徑，單位為m；

h——模型水輪機實驗水頭，單位為m；

n——模型水輪機中的轉輪轉速，單位為r/min；

單位流量q11定義為：

式中q——模型混流式水輪機轉輪內過流流量，單位為m³/s；

裝置空化系數σ定義為：

式中hva——模型實驗循環(huán)回路中尾水箱內的真空值，單位為m；

ha——實驗中當地大氣壓力換算成的水頭，單位為m；

hs——實驗中水輪機的吸出高度，單位為m；

hv——實驗溫度下的飽和蒸汽壓換算成的水頭，單位為m；

經計算得到數值模擬的大流量偏工況點參數為：a＝28mm，n11＝83.2r/min，q11＝0.768m³/s，σ＝0.277；

根據該大流量偏工況確定泄水錐及尾水管部分的壓力分布，從而確定低壓區(qū)范圍；

步驟2、確定渦帶初生的地方；泄水錐及尾水管部分的壓力分布呈對稱性，低壓區(qū)處于泄水錐出口處，當壓力低于當地汽化壓力，將產生空化渦帶，即渦帶初生的地方；

步驟3、根據渦帶初生的地方實施打孔措施，所述打孔措施為對泄水錐打2孔，所述打2孔的泄水錐為沿著短直型的泄水錐軸心，相對穿孔的構型。

進一步地，所述大流量偏工況下渦帶呈柱狀直渦帶。

附圖說明

圖1是水力測試實驗臺示意圖；

圖2是轉速測量示意圖；

圖3是壓力脈動測點示意圖；

圖4是模型轉輪(a1293)實物圖；

圖5是不同構型的泄水錐(a)原型0孔(b)打2孔(c)打4孔；

圖6是水輪機計算幾何模型(a)原型泄水錐(b)打2孔泄水錐(c)打4孔泄水錐-0度視圖(d)打4孔泄水錐-90度視圖；

圖7是偏工況下尾水管壓力分布俯視圖(原型0孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；

圖8是偏工況下泄水錐表面壓力分布(原型0孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；

圖9是偏工況下尾水管壓力分布俯視圖(打2孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；

圖10是偏工況下泄水錐表面壓力分布(打2孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；

圖11是偏工況下尾水管壓力分布俯視圖(打4孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；

圖12是偏工況下泄水錐表面壓力分布(打4孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；

圖13是大流量工況下尾水管壓力分布俯視圖(原型0孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；

圖14是大流量工況下原型泄水錐尾水管渦帶(原型0孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；

圖15是大流量工況下泄水錐表面壓力分布(原型0孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；

圖16是大流量工況下尾水管壓力分布俯視圖(打2孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；

圖17是大流量工況下泄水錐表面壓力分布(打2孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；

圖18是大流量工況下尾水管壓力分布俯視圖(打4孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；

圖19是大流量工況下泄水錐表面壓力分布(打4孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；

圖20是大流量工況下打孔泄水錐尾水管渦帶(a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；

圖21是偏工況下尾水管壓力脈動能量分布(原型0孔、打2孔、打4孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明提供一種基于大流量偏工況水輪機泄水錐打2孔的方法，

步驟1、采用單位轉速n11和單位流量q11來描述全流道內流動工況，通過調節(jié)裝置空化系數σ改變測試中的環(huán)境壓力水平，通過調節(jié)活動導葉開度a改變單位轉速和單位流量；

單位轉速n11定義為：

式中d1——模型水輪機的轉輪直徑，單位為m；

h——模型水輪機實驗水頭，單位為m；

n——模型水輪機中的轉輪轉速，單位為r/min；

單位流量q11定義為：

式中q——模型混流式水輪機轉輪內過流流量，單位為m³/s；

裝置空化系數σ定義為：

式中hva——模型實驗循環(huán)回路中尾水箱內的真空值，單位為m；

ha——實驗中當地大氣壓力換算成的水頭，單位為m；

hs——實驗中水輪機的吸出高度，單位為m；

hv——實驗溫度下的飽和蒸汽壓換算成的水頭，單位為m；

經計算得到數值模擬的大流量偏工況點參數為：a＝28mm，n11＝83.2r/min，q11＝0.768m³/s，σ＝0.277；

根據該大流量偏工況確定泄水錐及尾水管部分的壓力分布，從而確定低壓區(qū)范圍；

步驟2、確定渦帶初生的地方；泄水錐及尾水管部分的壓力分布呈對稱性，低壓區(qū)處于泄水錐出口處，當壓力低于當地汽化壓力，將產生空化渦帶，即渦帶初生的地方；

步驟3、根據渦帶初生的地方實施打孔措施，所述打孔措施為對泄水錐打2孔，所述打2孔的泄水錐為沿著短直型的泄水錐軸心，相對穿孔的構型。

所述大流量偏工況下渦帶呈柱狀直渦帶。

水輪機泄水錐模型實驗

模型實驗是研究水輪機內流動特性的重要方法。為了獲得不同泄水錐條件下的流場信息和尾水管渦帶信息，利用水輪機模型試驗臺進行了實驗測量。

模型試驗臺位于哈爾濱電機廠有限責任公司大電機研究所水輪機研究室，是一座高參數、高精度的水力機械試驗臺，可以進行水泵水輪機、大型水泵及高水頭混流式水輪機的相關試驗。

該水力測試實驗裝置編號試驗6臺，其試驗能力、可安裝的模型的尺寸、水力性能的測試方法及試驗用水均符合iec60193-1999的要求。試驗內容主要包括：水輪機的能量試驗、空化試驗、飛逸轉速試驗、壓力脈動試驗、差壓測流試驗、軸向力試驗、導葉水力矩試驗、補氣試驗、異常低水頭試驗等，此外，試驗臺裝備的流態(tài)觀測系統可以對水力機械的內部流態(tài)進行觀測。

如圖1所示，為水力測試實驗臺關鍵部件示意圖。該臺裝配有高性能的動力泵、立式結構測功電機、耐高壓的不銹鋼管路系統、電動閥門、真空泵、高精度的測試儀器及其原位標定系統等。試驗臺的高精度的電氣控制系統對供水泵和測功電機等動力設備進行快速和高精度調節(jié)控制。試驗臺裝備的高精度的測試儀器對各項試驗參數進行測量。高性能的數據采集和處理系統對數據進行采集和處理。

試驗臺主要的結構部件如表1所示。

表1試驗臺主要結構部件

對上述設備做如下說明：

試驗轉速：試驗裝置的轉速是通過測功電機實現的，測功電機用可控硅整流電源供電，可做四象限運行，即在正、反向旋轉時，均能做發(fā)電機運行又能做電動機運行，因此它可以滿足水輪機、水泵、水泵-水輪機不同試驗裝置的各種試驗工況的要求。

試驗水頭和流量：最高試驗水頭為100m，最大流量為1.0m³/s。

試驗用水：試驗臺裝備的高效率的水處理設備對自來水進行過濾、軟化處理后用于試驗。在試驗中主要關注水的密度、水的粘度、水中的氣體含量和蒸汽壓力這四項試驗用水的條件。

大氣壓力的測量：試驗臺的大氣壓力采用大氣壓力傳感器進行測量，該大氣壓力測量模塊每年在黑龍江省計量局進行檢定，檢定合格后發(fā)布檢定證書。

水力機械試驗臺的轉速測量系統是由測速傳感器和齒數為120的測速尺盤組成。轉速傳感器為日本小野公司生產的mp-981型轉速傳感器。測速尺盤安裝在水輪機機軸上部，轉速傳感器與測速尺盤的相對位置如圖2所示。該轉速測量系統可以測量10000r/min的轉速。測速系統產生的電脈沖信號直接進入數據采集系統和數據處理軟件進行計算。

本水力測試實驗臺上，還將進行轉輪內葉道渦和尾水管的流態(tài)觀測，這主要是由高速攝影成像系統所完成的。

流態(tài)觀測系統由德國drello公司的閃頻儀、德國wolf公司的光導纖維內窺鏡、數字工業(yè)相機、同步觸發(fā)控制器及圖像采集處理工作站構成，可進行實時流態(tài)觀測、靜態(tài)圖像采集和動態(tài)流媒體文件生成。通過該系統，可以對轉輪葉片正面、背面脫流和葉道渦空化現象進行觀測。

此外，通過模型試驗裝置處的透明錐管，使用流態(tài)觀測系統可以對轉輪的出水邊卡門渦、初生空化、渦帶等空化現象進行觀測。同時使用olympus公司生產的高速攝像機進行渦帶的高頻信息捕捉。

光導纖維內窺鏡的規(guī)格如下：德國wolf公司生產，尺寸φ10mm×300mm×dov50/80/90°，多視角探頭，直徑10mm，工作長度300mm，4m固定光纜。

高速攝影設備規(guī)格如下：日本olympus公司生產，型號i-speed2，cmos傳感器，分辨率800×600有效像素，幀速率最高可達33000fps，最低1fps，全分辨率下最高1000fps，快門速度5微秒。攝影裝置外置控制器顯示裝置，采用標準lvds接器，26針mdr和攝影設備相連接。

為了對模型水力機械的水力穩(wěn)定性進行評估，通常進行壓力脈動試驗，進行壓力脈動試驗主要是為了獲取特定運行范圍內的壓力脈動相對幅值和主頻以及確定減小壓力脈動的最佳的補氣方式。

壓力脈動常使用壓力脈動傳感器來進行測量。壓力脈動傳感器的安裝要求膜片與流道平齊。如圖3所示，為混流式、軸流定漿式和水泵水輪機一般安裝位置。根絕iec測試標準，尾水管處4個壓力測點的位置如下所示，p1位于尾水錐管下游側，p2位于尾水錐管上游側，p3位于蝸殼進口，p4另增的傳感器位于錐管和肘管處，另外，導葉和轉輪之間設置p5測點。

壓力脈動的測量采用美國pcb公司生產的112a22型動態(tài)壓力傳感器，該傳感器的靈敏度15mv/kpa，分辨率小于0.007kpa，頻率范圍為0.5-250khz，覆蓋了試驗機械所能達到的最大過流頻率，可以對水力脈動迅速、準確地做出響應。試驗臺高速數據采集系統以高采樣率對壓力脈動傳感器的響應信號進行采集，通常采樣頻率為4000hz。

壓力脈動傳感器在試驗前后用美國pcb公司生產的903bo2型動態(tài)壓力標定儀(精度±0.2％fs)進行標定。

本水力測試實驗臺，以某電站模型水輪機為基礎，水輪機最大水頭71m，最小水頭44m，額定水頭57m。模型水輪機轉輪(a1293)如圖4所示，模型轉輪及其他重要裝置的參數如表2所示。

表2模型轉輪主要參數

為了對不同形式的泄水錐進行流動測量，下面給出測試中的泄水錐不同構型，包括原型0孔、打2孔和打4孔的情況，如圖5所示。

模型實驗中，通常采用單位轉速n11和單位流量q11來描述全流道內流動工況，而若要改變測試中的環(huán)境壓力水平，則需要調節(jié)裝置空化系數σ。通過調節(jié)活動導葉開度a改變單位轉速和單位流量。

單位轉速n11定義為：

式中d1——模型水輪機的轉輪直徑(低壓側)(m)；

h——模型水輪機實驗水頭(m)；

n——模型水輪機中的轉輪轉速(r/min)。

單位流量q11定義為：

式中q——模型混流式水輪機轉輪內過流流量(m³/s)。

對于模型測試來說，裝置空化系數對于內部流動現象具有重要影響。根據國際電工委員會-60193標準規(guī)定，裝置空化系數σ定義為：

式中hva——模型實驗循環(huán)回路中尾水箱內的真空值(m)；

ha——實驗中當地大氣壓力換算成的水頭(m)；

hs——實驗中水輪機的吸出高度(m)；

hv——實驗溫度下的飽和蒸汽壓換算成的水頭(m)。

依據上面論述，采用n11和q11來描述模型實驗的操作工況，如表3所示。這些工況中，包括小開度工況和大開度工況，可觀測到不同形態(tài)的尾水渦帶，如小開度下的螺旋形渦帶，大開度下的柱狀渦帶。

表3實驗測試工況點參數

水輪機全流場三維模擬方法

幾何建模

在計算中，使用了水輪機全流道模擬，且為了便于數值計算，加長了進入蝸殼的入口段部分，進口為圓形入口，出口為尾水管肘管出口。

計算區(qū)域基于總體幾何模型，其包含了蝸殼入口段、蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪、尾水管以及肘管等7個部分。

對于本計算來說，主要的幾何變化部件為泄水錐，圖6給出了實驗研究和數值研究中使用的不同造型的泄水錐，包括未打孔的原型泄水錐、打2孔泄水錐以及打4孔泄水錐。

上述原型泄水錐為短直型的泄水錐，打2孔的泄水錐為沿著軸心，相對穿孔的構型，打4孔的泄水錐構建在打2孔的基礎上，在相對靠下的位置垂直對穿2孔。

網格設置

為了更好的適應水輪機全流道內流復雜的3d流場計算，對上述幾何構型的各個部件分別進行了網格劃分，不同部件的網格在計算中使用interface進行連接，相應的網格信息如表4所示。

表4全流道各部件網格信息

流動域計算網格為結構化網格和非結構化網格混合，在700萬數量網格下，可以滿足數值計算的需求。

數值方法

針對全流道流場數值模擬，本研究采用商業(yè)cfd軟件ansys進行計算，采用cfx求解器進行求解。cfx是基于有限元的有限體積離散方法，對六面體網格單元采用24點插值，而單純的有限體積法僅采用6點插值。采用多節(jié)點并行計算，差分格式采用高階形式。

計算收斂準則為殘差10^-5，先進行定常流動計算，再以定常流動結果為初始場，進行非定常流動計算。由于全流道中各部件采用分別構建網格的方法，所以在動靜交界面上需要使用數據傳輸，即在活動導葉與轉輪流域之間、轉輪與尾水管流域之間均使用frozenandrotor系列交界面結合。另外，在流場壁面區(qū)域的處理中，采用壁面函數來描述。

邊界條件設置

根據模型實驗的工況設置，數值模擬采取相同的計算工況。

給定轉輪低壓側直徑d1和模型實驗水頭h之后，根據實驗工況給出的單位轉速n11、活動導葉開度a，此時可以通過綜合特性曲線獲得單位流量q11。故從n11和q11出發(fā)，有：

實際轉速：

實際流量：

若蝸殼進口處的通道橫截面積為s，則進口流速為：

v＝q/s(6)

另外，根據前文裝置空化系數σ計算式，數值模擬中需要設置尾水管出口壓力。

根據上述內容，數值計算中的邊界條件設置如下：

入口：以蝸殼入口延長段為入口，采用質量流量進口條件，同時設置參考壓力、初始湍流強度等參數。

出口：以肘管出口為流動出口，采用壓力出口條件，該值通過上述空化條件給出，用絕對壓力數值給出。

壁面：所有的固體壁面均采用無滑移邊界條件，近壁區(qū)流動采用壁面函數進行模擬。

控制方程

考慮水輪機全流道中的流動為不可壓縮三維流動，并忽略和外界的能量交換，則控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程。

連續(xù)性方程(不可壓縮時，密度ρ不隨時間和空間而變化)：

動量方程：

求解水輪機全流道三維流動時，使用雷諾平均方法(rans)進行平均流場求解，并使相應湍流模型進行雷諾應力封閉。在本發(fā)明中，封閉湍流模型采用k-ωsst(應力剪切模型)模型，該模型使用混合函數將標準k-ε模型與k-ω模型結合起來，包含了轉捩和剪切選項。k-ωsst的模型方程如下。

k方程：

ω方程：

其中，g、г和y分別表示各自的生成項、有效擴散項和耗散項，d表示正交發(fā)散項，s為用戶自定義的源項。

另外，該模型和標準k-ω模型不同之處在于α∞的取值，在標準k-ω模型中該參數為常數，而在k-ωsst模型中，α∞的定義如下：

α∞＝f1α∞,1+(1-f1)α∞,2(11)

其中有：

k-ωsst模型合并了來源于ω方程中的交叉擴散，且湍流粘度考慮到了湍流剪應力的傳播。其優(yōu)點在于對近壁區(qū)和主流區(qū)都有較好的處理，且模型不含復雜的非線性阻尼函數，因此更加穩(wěn)定和精確。

為了分析全流道內流場對尾水管流動的影響及相應的尾水管壓力脈動信息，本文國際電工委員會-60193標準選取了尾水管區(qū)域的4個壓力測點進行分析，即錐管下方的距離轉輪出口邊0.3d2處的左右2個測點(錐管+y0.3d2、-y0.3d2)，及尾水管與肘管連接處的左右2個測點(肘管內側、肘管外側)。模型測試和數值模擬中具有相同的壓力脈動測點。

在模型測試的壓力脈動實驗中，測量系統采集到的僅是電壓變化信號，通過電壓的標定與轉換之后獲得壓力信號值。而在數值計算中，通過流場的模擬，將直接獲得流場信息中的速度脈動和壓力脈動信號值，作用在壁面上的壓力脈動將直接和模型實驗結果進行比較。

為了對時域上的壓力脈動進行分析，需要獲得壓力脈動的幅值信息和頻率信息，同時為了對頻率做無量綱處理，定義了倍頻f’，倍頻f’可通過已知頻率f除以轉頻獲得。從時域信息轉換到頻域信息，需要借助傅里葉變換：

上面式子也成為傅里葉正變換，這樣可獲得壓力脈動信號各個頻率下的脈動能量信息。

在某頻率f下，分解出信號的壓力脈動幅值a計算如下：

式中r為頻域函數的實部，i為虛部，n為采樣點數。

由于葉片進口邊與活動導葉之間的幾何間距非常接近，兩者高頻分量產生的干涉將引起高頻壓力脈動幅值的提高該干涉作用會使壓力脈動被進一步放大，導致運行穩(wěn)定性變差。

最后，將各個頻率下的幅值畫在頻域軸上，就得到了壓力脈動信號的頻域變化圖譜。

水輪機內流場數值計算

根據模型實驗介紹，本發(fā)明對偏工況下的流場進行計算，選取開度下的兩個不同流動工況，具體工況參數如表5所示。

表5數值計算工況點參數

上述工況中，均針對3種不同的泄水錐構型進行計算，即原型0孔、2孔和4孔的幾何形狀。需要指出的是，導葉開度a＝16mm接近最優(yōu)開度線17mm，單位轉速n11＝80.4r/min也接近最優(yōu)工況的單位轉速值74.5r/min；導葉開度28mm接近功率限制線，該測試工況單位轉速也較高，為83.2r/min。故第1個工況為小流量偏工況，第2個工況為大流量偏工況。

關于小流量工況條件下的轉輪內流場信息為轉輪內部的流動較為順暢，不過在葉片吸力面的入口處出現了流線回折，意味著流動出現回流，回流通常意味著旋渦的出現和低壓區(qū)的存在，所以在這種情況下，容易出現葉片間隙中的空化帶，即葉道渦的存在。

為了進一步說明轉輪內的流場情況，從軸向流動方向上，選取三個水平截面來提取速度場，葉片吸力面的入口附近，出現了一定的流動回流，回流速度較大，但葉片間隙的下游，流動較為順暢且較均勻，沿周向的流動平緩。同時，靠近出水邊時，流動速度已經變得很小，因為此處靠近泄水錐，故是渦帶初生的地方。

小流量偏工況下尾水流場對比分析

實驗中偏工況下的渦帶出現振蕩和初生位置變化，這里使用數值模擬方法先給出泄水錐附近的壓力最低區(qū)域。為了指導實驗中打孔的位置，首先給出偏工況下尾水管部分的壓力分布。在偏工況(a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)下，圖7給出了原型0孔泄水錐尾水管部分壓力俯視圖。

從圖7可以看出，偏工況下泄水錐及尾水管部分橫截面內的壓力分布不對稱，周向壓力分布在某處具有最小值。下面分別給出沿泄水錐一周其表面上的壓力分布，如圖8所示。

從圖8可以看出，泄水錐及尾水管部分周向的壓力分布也出現不對稱，泄水錐靠出口部分存在壓力最低點，當該壓力低于當地局部壓力之后，即出現渦帶。實驗中也發(fā)現，該處即是產生渦帶的地方，但該工況下，還出現渦帶上下跳動的現象。為了消除該現象，在渦帶初生的地方，實施打孔措施，目的是將平衡泄水錐內部和外部水流壓力，利用流動平衡影響壓力分布，進而將渦帶位置進一步下移，并減小渦帶上下運動，同時減小其引起的壓力脈動。

圖9進一步給出偏工況打2孔條件下的尾水流場平面壓力分布俯視圖。圖10進一步給出偏工況下泄水錐表面壓力分布(打2孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)，需要注意的是，圖9和圖10給出的壓力分布閾值和圖7和圖8是一致的?？梢钥闯?，在打孔之后，泄水錐和尾水管部分內部壓力有明顯提升。且壓力分布的最大值與最小值之差變小。

圖10中，給出了圓周方向上泄水錐表面壓力分布。可以看出，打孔周圍的壓力水平也有提升。同時，比較上下兩列圖可以看出，相對位置上的打孔周圍的壓力大小不同，這是由于尾水渦帶是從一側產生的緣故。

可以預見的是，在泄水錐附近壓力分布改進之后，尾水渦帶的形態(tài)也應該發(fā)生變化，同時其壓力脈動也將改變。

下面繼續(xù)給出打4孔情況下的尾水部分壓力分布和泄水錐表面壓力分布。

圖11為打4孔時的尾水部分壓力分布?？梢钥闯?，打4孔條件下，尾水管壓力分布水平進一步有所提升，同時壓力的最大值與最小值之差也變小。同樣泄水錐表面的壓力分布如圖12所示，打孔周圍的壓力水平均有提升?？梢?，在偏工況條件下，打孔對于壓力水平的提升起到了正面作用，而且壓力分布的梯度也有所變緩。

為了進一步說明打孔措施對于流動的影響，下面給出偏工況下的渦帶變化情況：

在渦帶形狀抽取時，三種構型下均使用了相同的渦量準則，采用相同的空化壓力確定空化體積分數。比較三種情況可以看出，首先，隨著打孔措施的實施，轉輪內部的葉道渦逐漸減少，其空化體積變小，渦結構變得細碎；其次，從泄水錐區(qū)域出發(fā)，泄水錐下方的渦帶初生所在區(qū)域，其空化渦體積明顯減小?？栈恢玫臏p少，有助于減小渦帶自身的振蕩和跳動，對于減小壓力脈動具有正面作用。

上述打孔后的渦帶誘發(fā)壓力脈動水平，可在后續(xù)的壓力脈動計算中給出，可以得到明顯減弱的壓力脈動。

大流量最優(yōu)工況下尾水流場對比分析

在小流量偏工況條件下，可以看出打孔措施明顯減小了壓力水平，下面給出該措施在大流量工況下的表現。該工況里最優(yōu)工況較遠，仍然存在渦帶，只是渦帶呈現不同的形態(tài)。

在大流量偏工況(a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)下，圖13給出了原型0孔泄水錐尾水管部分壓力俯視圖?？梢钥闯觯顾F及尾水管部分周向的壓力分布具有很好的對稱性，低壓區(qū)位于泄水錐周圍部分，此部分即為渦帶初生的地方。

圖14給出了該工況下的渦帶分形狀，呈現出柱狀渦帶。進而，泄水錐表面的壓力分布在圖15中給出，其中包括泄水錐一周4個方向上的壓力分布?？梢钥闯?，在泄水錐一周方向上，低壓區(qū)存在于泄水錐出口的地方，在此處，壓力低于當地汽化壓力之后，將產生空化渦帶。這和壓力分布是相符合的。

下面給出近最優(yōu)工況打2孔泄水錐條件下的尾水管壓力分布及泄水錐表面壓力分布。如圖16及圖17所示，泄水錐出口的壓力分布雖然出現改變，但仍然對稱，且其壓力水平有所提升。相同的趨勢也可以在打4孔的泄水錐條件下觀察到，如圖18和圖19所示。

雖然上述壓力分布類似，但隨著打孔措施的實施，壓力水平有提升，這將影響該工況的渦帶形狀。圖20給了近最優(yōu)工況下，打2孔和打4孔的泄水錐渦帶分布。

上述兩種泄水錐情況下，尾水空化均呈現細長的柱狀直渦帶，空化帶較小。且隨著打孔數增加，空化帶變小，這是大流量工況下的渦帶變化基本情況。同時也可以看出，打孔之后，轉輪出口處的空化渦分布明顯減小，而僅是少量的集中于泄水錐出口周圍。這應是由于打孔措施改變了渦帶的流動狀態(tài)。

在上述條件下，尾水管中仍存在較強的旋流結構，但渦帶形態(tài)較為穩(wěn)定，也會有一定的壓力脈動。

偏工況下壓力脈動計算結果

大流量工況下，機組一般運行在該處的機會較小，或運行時間較短。下面主要關注小流量偏工況下的壓力脈動。

在壓力脈動計算時，首先進行該工況下的穩(wěn)態(tài)三維數值模擬，等待流動進入充分發(fā)展狀態(tài)之后，再進行瞬態(tài)的數值模擬，以轉輪每轉動1°為計算步長，同時監(jiān)測壓力脈動水平。

下面給出小流量偏工況(a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)下三種泄水錐構型下的壓力脈動結果，針對4個測點的結果如圖21所示，壓力脈動已經使用傅里葉變化進行了頻域換算，圖中給出每個頻率下相對應的能量密度函數(psd)分布。

從圖21可以看出，偏工況下，錐管右側的壓力脈動水平最低，而在錐管左側、肘管內側和肘管外側的壓力脈動水平均最高。在實施打孔措施后，隨著打孔數量的增加，壓力脈動的能量逐漸減小，這和流場內壓力分布以及渦帶的發(fā)展趨勢是一致的。

另外，隨著打孔數量增加，肘管內側和肘管外側的壓力脈動能量下降最為明顯，能夠下降到原始水平的1/2左右。這說明打孔措施確實對于壓力脈動的抑制具有重要作用。

最后，可以看出，肘管外側的能量分布在較高頻率處也出現較多分量，這說明雖然在主頻處，壓力脈動占據最多能量，但是較高頻率處仍然具有不可忽視的貢獻?？梢缘玫剑羰钳B加所有的壓力脈動能量，則在肘管外側處的壓力脈動能量在4個測點中是最高的，這和后邊的實驗測量是一致的。但是，由于壓力脈動能量的總體值在打孔之后是下降的，機組運行時的噪聲將顯著減小，也得到了實驗證實。

水輪機尾水管流場實驗研究

實驗中主要選定小流量偏工況，首先進行了能量及效率實驗。

表6不同泄水錐構型的能量及效率實驗參數

如表6所示，偏工況運行下，轉頻約18.6hz，尾水渦帶的主頻相對于轉頻為0.242倍，這在三種泄水錐構型下基本一致。根據能量推導效率，可以知道打孔之后整體效率變化很小，僅在打2孔時有些許降低，而在打4孔反而有所升高。效率的變化和壓力脈動變化應有關系，脈動能量降低，能量損失則減小，效率則有所提升。

可以看出，打孔措施基本不會影響機組的整體運行效率，故對能量試驗影響很小?？梢酝茰y，打孔措施僅僅會影響全流道中的下游部分流場，它將使得尾水管流場的速度脈動和壓力脈動減小，這樣噪聲也相應減小。故它是一種局部施行空化優(yōu)化的有效措施。

下面將對尾水管流場進行實驗分析。實驗手段為模型實驗，在透明尾水管部分，采用高速攝影的方法進行流動及渦帶的拍攝，對原型泄水錐尾水管渦帶演化時序進行觀測。上述工況下，空化渦帶運行一周約216ms，可知尾水渦帶頻率約為4.5hz。

該工況下渦帶呈現螺旋狀，繞著泄水錐中心進行公轉。仔細觀察渦帶運行時序可以看出，在36ms、96ms及108ms時的渦帶有2到3股較細的渦帶重疊構成，并且其繞著自身的螺線中心也在自轉。并且，渦帶的初始位置也出現了沿著泄水錐表面上下跳動的現象。

多條細渦帶的產生應該和泄水錐處渦帶初生的位置的有關，有泄水錐表面上的低壓區(qū)區(qū)域較大，則容易出現多處空化初生區(qū)域。并且數值模擬也表明，該工況下原型0孔泄水錐表面底部有多處渦帶初生點，可見，數值模擬結果和實驗符合較好。

另外，若考慮空化渦帶對于壓力脈動能量的貢獻，則可以合理地推測有：渦帶的公轉貢獻了壓力脈動的主頻，而自身繞螺線中心的自轉則貢獻了壓力脈動的較高頻能量。

混流式水輪機無葉區(qū)壓力脈動的高頻分量不明顯，幅值占混頻幅值的比例較小。無葉區(qū)壓力脈動還存在葉片通過頻率的多倍頻分量，總體來看無葉區(qū)壓力脈動呈現高頻脈動特征。對于打孔措施來說，有可能降低主頻能量、也有可能降低較高頻能量，或者也有可能同時降低。

為了系統地分析打孔對壓力脈動的影響，下面給出小流量偏工況條件下不同泄水錐的渦帶演化情況。分別觀測打2孔和打4孔時的渦帶演化時序?？梢钥闯?，對于打孔后的泄水錐，雖然在泄水錐出口的地方空化初生的區(qū)域顯著減小(打2孔)甚至消失(打4孔)，但由于打孔的存在，以孔為起點，出現了較為細小的渦帶，取代了原型0孔泄水錐的粗大螺旋渦帶。并且隨著打孔措施的施加，渦帶上下跳動的現象減弱或消除，尤其在打4孔時，原來較粗的螺旋渦帶已經分散很細的單渦帶，且在有些時刻幾乎消失。

需要指出的是，在上述打孔條件下，雖然空化的體積有所減小，但是可以看出有時仍然存在較細的雙重渦帶，即在高頻狀態(tài)下的空化能量依然存在，在壓力脈動頻譜上，將依舊有較高頻峰值存在。

最后，對大流量偏工況下(a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)的渦帶形態(tài)進行觀測，可以看出，在大流量偏工況下，不管泄水錐構型如何，渦帶形態(tài)均呈現柱狀，且其直徑變化大不。但從實驗中振動與噪聲觀測來看，打孔泄水錐的噪聲水平相對較低。另外，上述渦帶的形狀和數值模擬的結果相符合。

水輪機尾水管壓力脈動分析

在渦帶演化觀測的同時，也進行了壓力脈動的監(jiān)測。實驗根據模型實驗的方法，將壓力探頭埋入尾水管壁面，從而探測流場作用與尾水管壁面上的壓力值，并記錄其隨時間的變化情況。下面對4個監(jiān)測點的壓力脈動實驗結果進行分析。

對初始壓力脈動實驗數據進行傅里葉變化，可以直接對偏工況下脈動能量分布進行分析。小流量偏工況實驗結果表明，打孔措施實施后，壓力脈動的整體水平都有所下降，在肘管外側，主頻幅值下降最多。針對錐管部分的壓力測點(+y0.3d2、-y0.3d2)，打孔之后，較高頻的脈動能量明顯下降，并在打4孔的工況中消失。

另外，實驗結果表明，打孔之前，肘管外側的壓力脈動能量最大，打孔之后其幅值下降最為顯著。和數值模擬結果相對比，實驗結果很好地驗證了數值模擬的結果，壓力脈動的整體水平在打孔之后都有下降，也說明在泄水錐上打孔的措施是行之有效的。

為了對壓力脈動的能量進行定量說明，下面給出不同工況下針對不同泄水錐結構獲得脈動實驗數據。根據iec測試標準，對壓力脈動的評估采用混頻雙振幅幅值(峰-峰值)δh/h表示。如表7、8、9及10所示，分別為錐管+y0.3d2、錐管-y0.3d2、肘管內側及肘管外側測點的壓力脈動特征數據。

可以看出，在小流量偏工況時，螺旋渦帶比較穩(wěn)定，主頻與轉頻的比值約為0.24，隨著打孔數量的增加，脈動峰峰值變化區(qū)間不大。變化較為顯著的為大流量偏工況下的壓力脈動，除了肘管內側，其余測點在打孔構型中，其主頻與轉頻的比值顯著減小，主頻減小值大于1/2倍的原型泄水錐工況。并且，主頻的減小很可能通過實驗中渦帶的減弱和消失有關，有些時刻，尾水管中有渦帶不連續(xù)的現象發(fā)生。特別的，對于打4孔的工況，在所有泄水錐構型中，主頻的能量峰峰值具有顯著減小，可見，打孔措施是有效的。

表7不同工況和泄水錐構型下錐管+y0.3d2點的壓力脈動特征

表8不同工況和泄水錐構型下錐管-y0.3d2點的壓力脈動特征

表9不同工況和泄水錐構型下肘管內側測點的壓力脈動特征

表10不同工況和泄水錐構型下肘管外側測點的壓力脈動特征

另外，需要注意的是，在活動導葉開度增大時，尾水管入口及肘管出口的主頻脈動峰峰值有所降低，這就意味著壓力脈動相應的高頻分量變得更加明顯。為了進一步確定打孔后的能量幅值，這里將壓力脈動的前三階頻率(f1、f2、f3)能量進行了加和，用來表征整體能量，如表11所示?？梢钥闯觯叭A能量總和隨著打孔數量增加而減小?？傮w來說，打孔措施對于減弱渦帶的生成和相應壓力脈動具有正面作用。

表11不同泄水錐構型下壓力脈動的前三階頻率能量特征δh/h(％)

以上對本發(fā)明所提供的一種基于大流量偏工況水輪機泄水錐打2孔的方法，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。