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脉动     0.8                                   脉动
                    4                             频率   幅度     0.6                              频率   幅度
                   dH/H/%  3 2                   193.4  3.04  dH/H/%  0.4                     117.99 0.66
                                                       1.03
                                                 96.7
                                                                                              235.91 0.63
                    1
                                                 386.81 0.47  0.2                             353.9  0.22
                    0                                          0
                        100   200   300   400   500                  100   200  300   400   500
                                   f/Hz                                          f/Hz
                     图 11  绩溪 B 水泵水轮机某水轮机工况无叶区压力                图 12  绩溪 B 水泵水轮机某水轮机工况无叶区压力脉
                            脉动频谱分析结果(H P=564.8m)                        动频谱分析结果(H P=636.8m)
                   总之,水泵水轮机两种工况无叶区压力脉动主频均为叶频,只有长短叶片转轮部分工况以叶片
               组合通过频率为主频。


               3  无叶区压力脉动形成机理探讨

               3.1  无叶区压力脉动来源分析              无论是水泵工况,还是水轮机工况,水泵水轮机无叶区压力脉动的
               主频 f 均为叶频 f(长短叶片除外),即叶片数 Z 与转频 f 的乘积(f = f = Z·f n)。据此可以判断,无叶区
                    1         r                          r       n       1  r   r
               压力脉动来自于转轮叶片对水流的扰动,是转轮高压侧叶道内压力分布的不均匀造成的,高低压交
               替通过无叶区搅动形成叶频压力脉动。
               3.2  水泵工况无叶区压力脉动形成机理                  在水泵工况,水流从尾水管进入,经转轮流入无叶区,旋
               转的转轮将每个叶道内分布不均匀的压力以近似于周期函数的压力施加并传递到静止不转的无叶
               区,其周期即单叶道旋转周期(T=T /Z ,其中 T 为转轮旋转周期),其频率即叶片通过频率 f 。水泵工
                                                 r
                                              n
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               况压力脉动试验均在协联工况进行,其转轮出口压力分布比水轮机工况的进口更均匀,应是水泵工
               况无叶区压力脉动幅值低于水轮机工况主要原因。
               3.3  水轮机工况无叶区压力脉动形成机理
               3.3.1  水轮机工况无叶区压力脉动频率来源分析                     在水轮机工况,无叶区压力脉动的主频 f 为叶频 f
                                                                                                  1       r
              (长短叶片除外,本文暂不考虑),即叶片数 Z 与转频 f 的乘积(f = f = Z·f )。
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                                                                               r
                                                                                 n
                                                        r
                                                                n
                                                                        1
                   在水轮机工况,水流从蜗壳进入,经导叶流入无叶区,再进入旋转的转轮。在进入转轮前,无
               叶区各测量位置尽管压力分布不同,但在稳定工况各测点压力应保持基本稳定(不考虑紊流等因素影
               响),为定常运动,并无原发性压力脉动。而与其邻近的转轮叶片通过频率正是该区域压力脉动的主
               频,据此可以判断:在无叶区所测量到的压力脉动,主要来自于转轮叶片进口,源自于转轮叶片对
               静止区域的扰流,其主频自然是叶频 f ,以压力波的方式传播到无叶区。
                                                 r
               3.3.2  转轮叶片进口脱流漩涡的巨大影响及作用                      在水轮机工况,无叶区邻近的转轮高压侧属转轮
               叶片进口。对于叶片不能调整角度的混流式水泵水轮机来说,除最优工况附近狭窄的工作区域外,
               大多数工况都会在叶片进水边产生脱流,形成脱流漩涡。如工作水头高于最优工况水头,在叶片进
               口边背面产生脱流;如工作水头低于最优工况水头,在叶片进口边正面产生脱流。
                   混流可逆式水泵水轮机转轮按水泵设计,水泵工况叶片出水边作为水轮机工况进水边,对来流
               远不如常规水轮机适应,水轮机最优工况对应水头比抽水蓄能电站实际运行水头高得多。如表 4 所
               示,在统计的 17 个抽水蓄能电站中,所选用水泵水轮机水轮机最优工况对应水头 H 和电站最高水
                                                                                            opt
               头 H   的比 H /H    =1.102~1.341,H 和电站最低水头 H            的比 H /H     为 1.321~1.632。
                  max      opt  max             opt               min     opt  min
                   以我国某高水头抽水蓄能电站为例,假定水泵水轮机在水轮机最优工况时进口水流角β 接近或
                                                                                                  opt
               等于转轮叶片进口安放角β 。如图 13(a)所示,其最优进口水流角β =124.2°;当电站在最高水头运行
                                                                           opt
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               时 , 已 远 离 水 轮 机 最 优 工 况 , 进 口 水 流 角 β =82.2° , 远 小 于 β      opt  及 β , 形 成 很 大 负 冲 角(△ β =
                                                                                 e
               β-β =-42°),可在叶片进水边正面形成脱流漩涡(见图 13(b));尤其是在电站最低水头运行时,β=
                  e
               54.6°,△β=β-β =69.6°,形成更大负冲角,可在叶片进水边正面形成更大脱流漩涡(见图 13(c))。
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                   脱流漩涡属自由涡,其旋转半径 R 和旋转速度 V 的乘积保持常数(V·R=const)                           [19] ;水泵水轮机转
                                                              u
                                                                                u
               轮叶片数少(表 1 所列电站中,除清远 10 个叶片外,其余为 7 或 9 叶片),叶片间距大(D =5m、Z =7 水
                                                                                              1       r
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