徐洪泉，王萬鵬，廖翠林，趙立策，張馳也

(中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 研究背景

混流式水輪機在小負荷工況運行時，可在轉(zhuǎn)輪葉片流道間觀測到一連串的渦束，被稱為“葉道渦”。較早開展葉道渦研究的是Ulith，他認為混流式水輪機偏離最優(yōu)工況后沖角增大，在不同運行工況區(qū)將出現(xiàn)各種類型的空化。這之中有進水邊空化，有葉片背面靠出水邊處的空化，也有發(fā)生于兩個葉片之間的空化，即葉道渦。

在此之后，F(xiàn)isher對部分負荷出現(xiàn)的空化開展了較詳細的觀察和研究，并將它們按圖1所示分為三類[1]。第一類是水流在葉片進水邊背面靠近上冠處出現(xiàn)的死水區(qū)，旋渦渦束沿著葉片進水邊從靠下環(huán)處流出，F(xiàn)isher將其定義為Ⅰ型；Ⅱ型空化則是在葉片進水邊正面靠近上冠處出現(xiàn)的回流區(qū)，渦束靠近葉片中間流出；Ⅲ型空化發(fā)生在上冠出口處，在尾水管中央形成旋轉(zhuǎn)的旋渦。Ⅰ、Ⅱ兩型的空化渦都發(fā)生在葉道間，屬葉道渦。

圖1 脫流渦空化類型示意圖[1]Fig.1 Sketch map of cavitation types due to separation flow vortex[1]

1992年巴基斯坦塔貝拉機組發(fā)生事故后，Grein通過模型試驗和流場計算認為，該機組的振動主要由高水頭時在水輪機上冠葉片進水邊發(fā)生的脫流旋渦造成[2]。此后，巴西的兩個電站先后發(fā)現(xiàn)了水輪機葉片裂紋，Neyrpic對真機和模型葉片分別進行了壓力和動應(yīng)力試驗，發(fā)現(xiàn)在葉道渦發(fā)生區(qū)存在很大動應(yīng)力，認為葉道渦是引發(fā)振動和裂紋的根源。

為研究葉道渦對三峽電站穩(wěn)定運行的影響，中國水利水電科學(xué)研究院采用為三峽電站設(shè)計的水輪機模型對葉道渦開展了較全面的觀測和試驗研究[3-4]，并按其與水輪機設(shè)計水頭(最優(yōu)工況水頭)關(guān)系分成以下兩種情形(見圖2)：高于設(shè)計水頭時，在靠近上冠的葉片進水邊發(fā)生脫流旋渦，渦束沿著葉片進水邊背面在靠下環(huán)處流道間流出，稱之為A型葉道渦；低于設(shè)計水頭時，渦束沿著葉片進水邊正面從葉道中間流出，被稱為B型葉道渦。

圖2 葉道渦類型示意圖[4]Fig.2 Sketch map of channel vortex[4]

為弄清葉道渦的危害及性能特征，哈爾濱電機廠有限公司[5-6]、東方電氣集團公司[7]等單位也結(jié)合三峽電站水輪機開發(fā)進行了大量的模型試驗研究及觀測，開展葉道渦形成機理研究[8]，結(jié)合電站遇到的穩(wěn)定性問題進行了深入探索[9]。國內(nèi)外還采用數(shù)值模擬、模型試驗等手段對葉道渦等不穩(wěn)定現(xiàn)象進行了大量研究[10-12]，在轉(zhuǎn)輪設(shè)計優(yōu)化方面進行了廣泛探索[13-14]。文獻[15]對葉道渦研究進行了梳理和總結(jié)，但其認為“葉道渦不會產(chǎn)生壓力脈動，不會引起水輪機或機組的葉道渦振動”。

本文以混流式模型水輪機葉道渦觀測試驗為基礎(chǔ)，結(jié)合壓力脈動的流量及頻率特征，和電站遇到的低負荷壓力振蕩及葉片裂紋等問題特征進行類比研究，發(fā)現(xiàn)三峽等水電站遇到過葉道渦壓力脈動，所謂的“類轉(zhuǎn)頻壓力脈動”由葉道渦衍生的壓力脈動引起，弄清了葉道渦危害機理。許多電站轉(zhuǎn)輪靠近下環(huán)、上冠的葉片出水邊裂紋及尾水管進口撕裂等破壞主要由葉道渦空化空腔誘發(fā)振動造成，葉道渦危害性非常大。

2 葉道渦壓力脈動模型試驗

2.1 模型水輪機及試驗方法混流式水輪機葉道渦壓力脈動模型試驗研究于2019年8—9月在中國水利水電科學(xué)研究院水力機械實驗室3#試驗臺進行，模型機及轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)見表1。

表1 模型機及轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)

試驗水頭為20 m，在定單位轉(zhuǎn)速n11、定空化系數(shù)(σ=0.25)條件下進行，試驗中對尾水管渦帶及空化狀況進行觀測拍照。流道中布置6個測點，蝸殼進口、無葉區(qū)、頂蓋+Y、頂蓋-Y及尾水管錐管0.4D2的+Y和-Y各布置一個測點，顯示符號依次為“HC”、“HVS1”、“HHCT1”、“HHCT2”、“HD1”和“HD2”。

2.2 壓力脈動試驗結(jié)果

(1)葉道渦工況邊界

A轉(zhuǎn)輪葉道渦試驗在n11=70 r/min、77.5 r/min、85 r/min、92.5 r/min、100 r/min等5個單位轉(zhuǎn)速下進行，各單位轉(zhuǎn)速葉道渦工況邊界對應(yīng)的單位流量Q11如表2所示。其中的左邊界Q11L是指小負荷葉道渦剛出現(xiàn)工況的單位流量，即葉道渦出現(xiàn)在Q11≤Q11L工況；而右邊界Q11R是指大負荷葉道渦剛出現(xiàn)工況單位流量，即葉道渦出現(xiàn)在Q11≥Q11R工況。

表2 A轉(zhuǎn)輪葉道渦邊界

小負荷葉道渦如圖3所示，葉道渦多沿轉(zhuǎn)輪下環(huán)流出流道，和文獻 [3]所述A型葉道渦比較相似，但也有部分工況的葉道渦空腔有往葉道中部靠近的趨勢(如圖3(c)和圖3(d))。本文認為，葉道渦空腔之所以多從下環(huán)處流出轉(zhuǎn)輪，和下環(huán)處流道比較寬敞密切相關(guān)。此外，葉片進水邊安放角設(shè)計及單位轉(zhuǎn)速、單位流量等運行工況也會對葉道渦空腔運行軌跡產(chǎn)生影響。例如，旋轉(zhuǎn)離心力使水流往外側(cè)集中，可能導(dǎo)致內(nèi)側(cè)壓力降低，高單位轉(zhuǎn)速更易使葉道渦空腔往內(nèi)側(cè)偏移；而轉(zhuǎn)彎離心力使水流往內(nèi)側(cè)集中，尤其在小流量，大流量可能因擁擠而使水流逐漸往外側(cè)分散，同樣可能導(dǎo)致內(nèi)側(cè)壓力降低，葉道渦空腔往葉道中部偏移。

圖3 A轉(zhuǎn)輪小流量葉道渦照片F(xiàn)ig.3 Photos of channel vortex under small-flow conditions of runner A

大負荷葉道渦只出現(xiàn)在高單位轉(zhuǎn)速大流量工況，低單位轉(zhuǎn)速未發(fā)現(xiàn)。該工況范圍葉道渦如圖4所示，葉道渦空腔多出現(xiàn)在葉道中部，和文獻 [3]所述B型葉道渦比較相似。

圖4 A轉(zhuǎn)輪大流量葉道渦照片F(xiàn)ig.4 Photos of channel vortex under large-flow conditions of runner A

(2)葉道渦壓力脈動幅值特性

n11=70 r/min、77.5 r/min、92.5 r/min及100 r/min等4個單位轉(zhuǎn)速的壓力脈動幅值特性如圖5所示。在表2所示的葉道渦工況范圍內(nèi)(即Q11≤Q11L工況與Q11≥Q11R工況)，壓力脈動幅值均較高，尤其是低單位轉(zhuǎn)速小負荷工況及高單位轉(zhuǎn)速大負荷工況均出現(xiàn)壓力脈動峰值。盡管這些工況的壓力脈動不一定全部由葉道渦引起，但這些峰值工況均未見渦帶空腔，可認為葉道渦是該小負荷工況區(qū)大幅值壓力脈動主要來源。

圖5 A轉(zhuǎn)輪定單位轉(zhuǎn)速壓力脈動幅值曲線Fig.5 Amplitude curves of pressure fluctuations with fixed unit speeds in runner A

葉道渦壓力脈動的主要幅值特性為：

①單位轉(zhuǎn)速越低，小負荷葉道渦壓力脈動幅值越高；

②單位轉(zhuǎn)速越高，大負荷葉道渦壓力脈動幅值越高。

(3)葉道渦壓力脈動頻率特性

在葉道渦空腔出現(xiàn)的工況，同時出現(xiàn)了許多1倍轉(zhuǎn)頻左右的壓力脈動頻率，初步判定由轉(zhuǎn)輪出水邊葉道渦引起，并將其定義為葉道渦頻率fc。

A轉(zhuǎn)輪小負荷葉道渦工況fc隨Q11變化規(guī)律如圖6所示，B轉(zhuǎn)輪小負荷葉道渦fc隨Q11變化規(guī)律如圖7所示，兩轉(zhuǎn)輪的小負荷葉道渦頻率范圍為0.94～1.78倍轉(zhuǎn)頻。A轉(zhuǎn)輪的大負荷葉道渦頻率范圍為0.94～1.57倍轉(zhuǎn)頻，但捕捉到該頻率工況偏少，規(guī)律性不強。

圖6 A轉(zhuǎn)輪小負荷葉道渦頻率隨Q11變化規(guī)律Fig.6 Frequency variations of channel vortex withQ11 under low-load conditions of runner A

圖7 B轉(zhuǎn)輪小負荷葉道渦頻率隨Q11變化規(guī)律Fig.7 Frequency variations of channel vortex withQ11 under low-load conditions of runner B

由圖6和圖7可知，小負荷葉道渦工況存在如下頻率特性：

①多數(shù)工況的葉道渦頻率fc隨Q11增大而增高；

②在大多數(shù)情況下，fc隨n11增加而降低。B轉(zhuǎn)輪n11=82 r/min兩工況fc高于n11=76 r/min兩工況，可能與混雜并疊加渦帶壓力脈動頻率有關(guān)。

需要說明的是，大部分葉道渦頻率在頂蓋壓力脈動測點(HHCT)分析獲得，尾水管測點捕捉到較少，其主要原因可能是在許多葉道渦工況常伴有偏心渦帶，渦帶頻率多呈現(xiàn)為主頻，葉道渦頻率被“淹沒”。

3 葉道渦壓力脈動機理研究

3.1 不同類型葉道渦成因分析

(1)小負荷葉道渦?；炝魇剿啓C轉(zhuǎn)輪內(nèi)存在兩個離心力，一個是流道轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的離心力，另一個是轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。低單位轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)離心力小，水流轉(zhuǎn)彎離心力相對偏大，受轉(zhuǎn)彎影響水流更易往上冠(或旋轉(zhuǎn)中心)集中；小流量水流不擁擠，容易在下環(huán)附近形成低壓區(qū)，造成葉道渦空腔沿下環(huán)流出，形成A型葉道渦。

(2)大負荷葉道渦。高單位轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)離心力大，水流往外側(cè)的下環(huán)甩，大流量又造成流道相對擁擠，把葉道渦空腔向流道中部推送，形成B型葉道渦。

3.2 葉道渦壓力脈動頻率形成機理

(1)葉道渦誘發(fā)壓力脈動機理

在轉(zhuǎn)輪葉片之間觀測到的葉道渦，嚴重時(含空化系數(shù)較小時)會延伸至尾水管。尾水管和轉(zhuǎn)輪內(nèi)流場不同，水流已失去轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的牽連運動，其環(huán)向流速Cu低于轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)速度U。離開轉(zhuǎn)輪葉道的Zr(轉(zhuǎn)輪葉片數(shù))個葉道渦空腔會以略低于Cu的速度在尾水管旋轉(zhuǎn)。

但是，葉片還攜帶著高低變化的壓力場以圓周速度U旋轉(zhuǎn)，和葉道渦空腔之間存在速度差U-Cu。由于U大于Cu，葉片及其攜帶的壓力場會“超車”葉道渦空腔，而每一次“超車”都會因高壓而導(dǎo)致葉道渦空腔收縮或潰滅，低壓則引起空腔膨脹，衍生出新生壓力脈動。

(2)葉道渦壓力脈動頻率形成機理分析

如假定葉道渦所在半徑為r，相鄰葉道渦之間的圓周距離Lc=2πr/Zr，則轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)通過每個葉道渦間距Lc的周期Tc為：

(1)

則轉(zhuǎn)輪出水邊高壓點遇到葉道渦的頻率fc為：

(2)

與轉(zhuǎn)頻fn=U/2πr的比可表示為：

(3)

(3)葉道渦壓力脈動頻率特性分析

①隨n11變化：n11增大即U增大，fc/fn會減小，與圖6、圖7大部分工況規(guī)律一致。

②隨Q11變化：Q11增大伴隨Cu減小，fc/fn增大，與圖6、圖7大部分工況規(guī)律一致。

在圖6中，之所以部分小流量工況fc/fn偏高，可能是葉道渦頻率并非獨立主頻，該分析主頻fc是葉道渦頻率和渦帶頻率之和；而較大流量工況fc/fn偏低，則可能由于葉道渦引起壓力脈動幅值低于渦帶頻率，此分析主頻可能是偏心渦帶頻率。

(4)葉道渦頻率范圍合理性分析

在小負荷工況，轉(zhuǎn)輪葉片出水邊環(huán)向分量Cu與圓周速度U比較接近。受邊界層影響，Cu和U會更接近，Cu/U有可能達到0.85～0.95。如果轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Zr=14，fc/fn=0.7～2.1，與實測結(jié)果(fc/fn=0.94～1.78)比較接近。

4 葉道渦危害性驗證

盡管在模型試驗中可發(fā)現(xiàn)葉道渦空化空腔，在大量的混流式水輪機模型驗收試驗中都要求進行葉道渦觀測，繪制出其存在邊界，但由于不了解其頻率特性及危害機理，并沒有將其和真機運行中存在的任何一種強振及葉片裂紋等危害聯(lián)系起來，多數(shù)學(xué)者對其危害性半信半疑，并有部分學(xué)者認為葉道渦并無實際危害。因此，還需結(jié)合電站運行中遇到的類似現(xiàn)象及特征進行分析論證，確認其危害性。

4.1 葉道渦頻率強振的真機驗證其實，葉道渦頻率強振在大量安裝混流式水輪機的電站存在，之所以未將其與葉道渦聯(lián)系起來，是因為此前大家均不知葉道渦頻率幾何，自然無法確認這些強振由葉道渦引起。本文僅列舉發(fā)生類轉(zhuǎn)頻壓力振蕩電站及三峽電站原模型試驗來驗證葉道渦誘發(fā)強振的真實性。

4.1.1 類轉(zhuǎn)頻壓力振蕩屬葉道渦壓力脈動 所謂的“類轉(zhuǎn)頻壓力脈動”是指頻率接近于轉(zhuǎn)速頻率、壓力脈動幅度非常大(有的甚至超過運行水頭)的不穩(wěn)定現(xiàn)象[15-16]。該現(xiàn)象多發(fā)生在小負荷區(qū)，個別發(fā)生在高負荷區(qū)；其只發(fā)生于真機，水輪機模型試驗中不會發(fā)生；其脈動頻率多為1～1.5倍轉(zhuǎn)頻，但也有部分為0.5～0.98倍轉(zhuǎn)頻[15]。國內(nèi)的劉家峽[17]、楓樹壩、隔河巖、小浪底、李家峽[18]、萬家寨[19]、歐陽海[20]、石泉[21]及國外的塔貝拉、塔瓦克斯殼、羅璽諾夫、布拉茨克等[15]許多水電站發(fā)生過類轉(zhuǎn)頻壓力脈動，給電站帶來了劇烈壓力脈動、強烈振動、功率擺動等嚴重危害。

表3列出了發(fā)生類轉(zhuǎn)頻壓力脈動電站的功率及頻率特性。在該表中，類轉(zhuǎn)頻壓力脈動發(fā)生工況的功率和頻率分別被定義為強振功率P、強振頻率f，并定義機組額定功率為Pr，壓力波沿長度為L的管道傳遞2個來回的壓力振蕩頻率為fv(fv=a/4L，其中a為聲波在水中傳播速度)。參考表3及文獻[15]，可發(fā)現(xiàn)小負荷類轉(zhuǎn)頻壓力脈動存在如下技術(shù)特征：

表3 類轉(zhuǎn)頻壓力脈動功率及頻率統(tǒng)計

(1)頻率特征：強振頻率f=(0.60～1.63)fn，隨導(dǎo)葉開度增大強振頻率f增高[15]。

(2)功率特征：強振功率P=(0.2～0.5)Pr。

(3)水頭特征：高水頭更易發(fā)生類轉(zhuǎn)頻壓力脈動，低水頭強振工況多向更大導(dǎo)葉開度偏移。

按照類轉(zhuǎn)頻壓力脈動統(tǒng)計模式，也可對小負荷葉道渦壓力脈動特征進行總結(jié)：

(1)頻率特征：葉道渦頻率fc=(0.94～1.57)fn，隨Q11增大fc增高，與類轉(zhuǎn)頻壓力脈動頻率特性基本一致。

(2)流量及功率特征：A轉(zhuǎn)輪4個單位轉(zhuǎn)速的葉道渦嚴重工況單位流量Q11c、最優(yōu)單位流量Q110及二者之比如表4所示，Q11C/Q110=0.373～0.488。如假定該轉(zhuǎn)輪的額定工況單位流量Q11r是Q110的1.25倍，則Q11C/Q11r=0.298～0.39，均在類轉(zhuǎn)頻壓力脈動發(fā)生工況P/Pr=0.2～0.5范圍之內(nèi)，說明其峰值工況兩側(cè)的工況也可能發(fā)生類轉(zhuǎn)頻壓力脈動。

(3)單位轉(zhuǎn)速特征：小負荷葉道渦產(chǎn)生于葉片進水邊背面脫流，低單位轉(zhuǎn)速更易發(fā)生，高單位轉(zhuǎn)速葉道渦嚴重工況向更大導(dǎo)葉開度和單位流量偏移，與類轉(zhuǎn)頻壓力脈動的水頭特征一致(低單位轉(zhuǎn)速對應(yīng)于高水頭)。

因此可推斷，發(fā)生在水電站的類轉(zhuǎn)頻壓力脈動由葉道渦衍生壓力脈動引起。

4.1.2 三峽水電站水輪機原模型壓力脈動試驗均發(fā)現(xiàn)葉道渦頻率壓力脈動 三峽電站共采用了4種不同水力模型的混流式水輪機，除全部進行了全面的模型壓力脈動試驗外，還對這4種不同機型分別進行了真機壓力脈動及振動穩(wěn)定性試驗。盡管在模型及現(xiàn)場試驗報告中均未提及葉道渦頻率壓力脈動及振動，但在其模型及真機的試驗曲線中卻發(fā)現(xiàn)了1倍轉(zhuǎn)速頻率左右壓力脈動[22]。很顯然，兩種水輪機模型及真機均在小負荷、高水頭工況發(fā)現(xiàn)1倍轉(zhuǎn)頻左右壓力脈動，其幅值均比較高(多數(shù)為最高峰值)，與前述模型試驗發(fā)現(xiàn)的葉道渦壓力脈動非常相似，說明三峽電站水輪機也發(fā)生了比較強烈的葉道渦壓力脈動。

4.2 葉道渦危害的真機驗證

本文認為，下述電站的葉片出水邊裂紋及尾水管進口撕裂問題由葉道渦破壞引起：

(1)巴基斯坦塔貝拉電站[9]。這是水頭變幅最大的電站之一(49.4～135.6 m)，單機額定出力440 MW，轉(zhuǎn)輪公稱直徑7.9 m。新增的14號和13號機組先后于1992年5月、1992年7月投入運行，早期因水庫水位較低(水頭約100 m)運行正常，但當毛水頭上升到約117 m時，機組振動增大，噪聲強烈，尾水錐管壁開始漏水。兩臺機組被迫拆機檢查，發(fā)現(xiàn)尾水錐管進口水平方向有數(shù)條裂紋，總長度3～4 m；座環(huán)和底環(huán)的52個連接螺栓松動，轉(zhuǎn)輪葉片出水邊靠近上冠處出現(xiàn)裂紋。本文認為由葉道渦引起，主要理由為：①轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況水頭為97.5 m，電站經(jīng)常運行于110 m以上的高水頭，而高水頭運行不穩(wěn)定，與葉道渦出現(xiàn)區(qū)域比較一致。②電站其后進行的模型試驗發(fā)現(xiàn)在相應(yīng)工況有葉道渦空化空腔大量存在。③尾水管撕裂在錐管上部，與葉道渦危害區(qū)域一致，遠離偏心渦帶危害區(qū)(錐管中、下部)。

(2)貴州天生橋一級水電站[9]。電站水頭為83～126.65 m，單機額定出力300 MW，轉(zhuǎn)輪公稱直徑5.775 m。機組投運后基本在101～136 m水頭范圍內(nèi)運行，單機出力在50 MW以下、280 MW以上居多。隨著水頭增高，機組振動和尾水管噪聲日趨嚴重，有時達到“難以忍受的程度”[9]。機組強振區(qū)域也隨著水頭增高向大負荷區(qū)移動，電站據(jù)此將機組可運行負荷范圍規(guī)定為250 MW(是額定負荷的83.3%)。當3、4號機組分別運行2880 h和2680 h后檢查發(fā)現(xiàn)，錐管門框四角與錐管母材焊縫附近產(chǎn)生裂紋；1號機尾水管錐管里襯與基礎(chǔ)環(huán)之間的環(huán)形焊縫開裂。1號機組運行8500 h后發(fā)現(xiàn)4個葉片出水邊與下環(huán)焊縫處有裂紋，2個葉片出水邊與上冠焊縫處有裂紋，6條裂縫均貫穿葉片正背面，最長的裂紋長度為450 mm；2、3號機組轉(zhuǎn)輪上也發(fā)現(xiàn)多處裂紋，2號機上冠處11條、下環(huán)處2條，3號葉片上冠處貫穿性裂紋1條。本文認為這些問題主要由葉道渦壓力脈動引起，其理由為：①該電站水輪機設(shè)計水頭為111 m，離最高水頭較遠，有利于葉道渦在高水頭、低負荷發(fā)生，而該電站不穩(wěn)定嚴重工況就在該運行區(qū)；②50 MW～280 MW是葉道渦所在小負荷及渦帶壓力脈動部分負荷所在功率范圍，而偏心渦帶通常不引起垂直振動，對葉片危害很?。黄臏u帶雖可能帶來尾水管撕裂等危害，但其影響范圍應(yīng)在尾水管錐管中、下部，不應(yīng)在其進口，電站尾水管出現(xiàn)的裂紋區(qū)是葉道渦危害范圍。③盡管在模型試驗中未觀測到小負荷葉道渦空腔靠近上冠，但不排除真機葉道渦空腔在上冠附近出現(xiàn)，因為真機葉道寬敞許多倍，給葉道渦更大發(fā)展空間，有可能部分葉道渦空腔出現(xiàn)在上冠附近，空化空腔的膨脹-潰滅循環(huán)給靠近上冠的葉片帶來強烈振動，造成疲勞斷裂。

(3)四川二灘水電站[9]。電站水頭為135～189.2 m，單機額定出力550 MW，轉(zhuǎn)輪公稱直徑6.257 m。電站遇到的主要不穩(wěn)定問題包括：①振動、壓力脈動偏大，尾水管壓力脈動最大值為11.4%，頂蓋徑向和垂直振動分別為0.84和0.59 mm，出現(xiàn)工況為320 MW；除頂蓋振動外，其余振動、擺度最大值均出現(xiàn)在240 MW附近工況。②6臺轉(zhuǎn)輪共發(fā)現(xiàn)28條裂紋，其中葉片出水邊與上冠連接處3條，葉片出水邊與下環(huán)連接處25條。③尾水管裂紋，有3臺機組出現(xiàn)，均位于基礎(chǔ)環(huán)與尾水錐管的連接處。本文認為這同樣由葉道渦壓力脈動引起：①尾水管裂紋出現(xiàn)在葉道渦危害最嚴重區(qū)域。②大多數(shù)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋出現(xiàn)在模型觀測葉道渦空腔出現(xiàn)最多的靠近下環(huán)處。③強烈振動、壓力脈動工況覆蓋葉道渦壓力脈動區(qū)域，多數(shù)振動、壓力脈動最大值出現(xiàn)在葉道渦區(qū)域，說明葉道渦是主要危害源。

(4)青海李家峽水電站[9]。電站水頭為101～137 m，單機額定出力400 MW，轉(zhuǎn)輪公稱直徑6.03 m。電站遇到的主要不穩(wěn)定問題包括：①轉(zhuǎn)輪葉片裂紋。先期安裝投運的4臺水輪機轉(zhuǎn)輪均發(fā)現(xiàn)葉片出水邊裂紋，52個葉片有33個發(fā)現(xiàn)裂紋，共43條，其中23條發(fā)生于葉片出水邊與上冠連接焊縫處，20條發(fā)生于葉片出水邊與下環(huán)連接焊縫處。②壓力脈動超標，振動偏大。尾水管壓力脈動最大值為23.81%，發(fā)生于3號機組100 MW工況；1號機組壓力脈動為19.11%，發(fā)生于80 MW工況；頂蓋振動最大值3.52 mm/s，發(fā)生于4號機，工況為毛水頭123 m、出力40 MW；其余機組強振也多發(fā)生于低負荷(50 MW左右)。本文認為，葉片裂紋產(chǎn)生的主要原因為小負荷葉道渦壓力脈動，其主要理由為：①強振多發(fā)生于小負荷，尾水管壓力脈動最高值也發(fā)生于小負荷。②電站要調(diào)峰、調(diào)頻運行，在低負荷運行比例比較高。③在小負荷強振區(qū)，部分機組尾水管壓力脈動主頻為1.01～2.51倍轉(zhuǎn)頻，屬類轉(zhuǎn)頻壓力脈動，帶有明顯的葉道渦壓力脈動頻率特征。④裂紋產(chǎn)生位置和葉道渦產(chǎn)生及影響部位基本一致。

此外，廣西巖灘、山西萬家寨、湖南五強溪等水電站的轉(zhuǎn)輪葉片出水邊裂紋及尾水管錐管上部撕裂等問題與前述電站類似，主要由葉道渦危害造成。盡管這些電站也同時存在尾水管渦帶壓力脈動嚴重等問題，但就轉(zhuǎn)輪葉片裂紋而言應(yīng)和偏心渦帶壓力脈動關(guān)聯(lián)性不大，尤其是均存在低負荷不穩(wěn)定問題，說明其更主要危害源自葉道渦。

5 結(jié)論

(1)混流式水輪機葉道渦空化空腔會延伸至尾水管，在轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量推動下旋轉(zhuǎn)，并在葉片擾動下發(fā)生膨脹-收縮甚至潰滅的周期性變化，衍生出新生壓力脈動。

(2)試驗?zāi)Ｐ退啓C葉道渦頻率是其轉(zhuǎn)速頻率的0.94～1.57倍，小負荷葉道渦壓力脈動頻率隨單位流量增加而增高，隨單位轉(zhuǎn)速增加而降低，與許多發(fā)生激烈壓力振蕩電站的“類轉(zhuǎn)頻壓力脈動”頻率變化規(guī)律一致。

(3)在許多水電站小負荷工況發(fā)生的壓力強烈振蕩、負荷劇烈擺動、頻率接近于轉(zhuǎn)速頻率的類轉(zhuǎn)頻壓力脈動現(xiàn)象由葉道渦壓力脈動引起。

(4)葉道渦空化空腔隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，遇高壓會快速潰滅，導(dǎo)致附近水流對葉片的周期性強烈沖擊，天生橋一級、二灘、李家峽等電站發(fā)生的葉片出水邊裂紋、尾水管錐管進口撕裂等破壞均可能由小負荷葉道渦空化空腔誘發(fā)壓力脈動造成，說明其危害性非常大。