水力机械中流动诱导的脉动和振动 项目规划、设计和故障诊断工程师手册PDF电子书下载

1 基本概念 1

1.1 综合特性曲线、运行工况及其参数 1

1.2 振动的幅值及其频谱 7

1.3 管道和系统中的脉动现象 13

1.4 水力共振 18

1.5 水力不稳定性 23

1.6 结构部件的评估 27

2 漩涡流中的低频脉动现象 31

2.1 管道中涡旋流动、涡破裂现象 31

2.1.1 基本观测 31

2.1.2 早期研究 32

2.2 尾水管中的漩涡现象 33

2.2.1 部分负荷涡带：受迫振荡（半负荷涌浪） 34

2.2.2 极低部分负荷下的随机压力脉动 38

2.2.3 部分负荷涡带：双涡带（孪生涡带） 39

2.2.4 低部分负荷：自激振荡 39

2.2.5 高部分负荷涡带：80％脉动 41

2.2.6 螺旋涡带的不稳定性 42

2.2.7 高负荷自激振荡（满负荷涌浪） 43

2.2.8 满负荷涡带：受迫振荡 45

2.2.9 系统响应 46

2.2.10 结构影响 46

2.2.11 混流式和其他机型中的个例 48

2.2.11.1 浅尾水管 48

2.2.11.2 直尾水管 48

2.2.11.3 水泵水轮机 48

2.2.11.4 轴流式水轮机 49

2.2.11.5 阀门和闸门 49

2.2.12 预测和评估 49

2.2.13 对策 51

2.2.13.1 尾水导流板 51

2.2.13.2 尾水中心管或中心柱 52

2.2.13.3 补气 52

2.3 转轮叶道中的漩涡：叶道涡 53

2.3.1 物理机理 53

2.3.2 特征、预测及其诊断 53

2.3.3 对运行范围的影响 54

2.3.4 破坏性 54

2.3.5 对策 56

2.4 其他位置的漩涡破裂 57

2.4.1 压力钢岔管中的漩涡破裂 57

2.4.2 轴流式转轮体 58

2.4.3 尾水导流板头部发生的涡带 59

3 转轮和蜗壳动静干涉引起的周期性效应 61

3.1 叶栅非稳态干涉的一般特性 61

3.2 转频下的波动 63

3.2.1 转轮的不平衡性 63

3.2.2 蜗壳的不对称性 64

3.3 反击式机组中的叶片干涉 68

3.3.1 涉及的流动现象 68

3.3.2 结构影响 70

3.3.3 设计的影响及对策 73

3.3.4 数值模拟 74

3.4 轴流式机组 76

3.4.1 活动导叶的尾流影响 76

3.4.2 轴向振动的激振 77

3.4.3 轴流式机组转轮叶片旋转对转轮室的影响 78

3.5 冲击式水轮机中水斗的旋转影响 79

3.5.1 物理背景 79

3.5.2 结构效应 82

3.5.3 对射流水柱冲击的数值模拟 84

3.5.4 设计参数的影响 86

3.6 蜗壳中的压力波干涉 92

3.6.1 结构影响 98

3.6.2 可采取的风险缓解措施 98

4 高频涡现象 102

4.1 冯·卡门涡街 102

4.1.1 基本流动机理 102

4.1.2 受涡街影响的水轮机部件 104

4.1.3 相关的设计原则 106

4.1.4 流动数值模拟 109

4.2 湍流流动（流动扰动或不稳定性） 111

4.2.1 物理背景及其性质 111

4.2.2 运行工况和湍动水平 111

4.2.3 过渡工况 113

4.2.3.1 机组启动和空载 113

4.2.3.2 快速停机和甩负荷 114

4.2.4 流动数值模拟 115

5 与空化相关的脉动现象 116

5.1 空化泡和空化云的动力学 116

5.2 易发生空化的流动情况 118

5.3 空化破坏 119

5.4 其他结构影响 122

5.4.1 振动和噪声 122

5.4.2 增加了流动的可压缩性 123

5.4.3 压力激波 123

5.4.4 空化诱导的不稳定性 125

5.5 应对措施 125

5.6 流动数值模拟 126

6 与稳定性相关的脉动现象 129

6.1 间隙流动效应 129

6.1.1 基本机理 129

6.1.2 迷宫密封失稳 131

6.1.3 上冠／下环侧腔的影响 132

6.2 导叶振动 134

6.3 压力钢管的自动振荡：漏水密封的影响 135

6.3.1 基本机理 135

6.3.2 特征 136

6.3.3 应对措施 137

6.4 水泵和水泵水轮机中的不稳定性 137

6.4.1 水泵高扬程处的不稳定性 137

6.4.2 水泵水轮机S形特性引起的不稳定性 139

6.4.3 数值模拟 141

6.4.4 水泵水轮机在水轮机制动象限的旋转失速 142

6.4.5 水泵水轮机中由滞后引起的不稳定性 144

6.4.6 调试中应特别注意防范的事项 145

7 模型试验、测试技术和试验结果 147

7.1 对相似性的考虑 147

7.2 混流式水轮机模型试验 150

7.2.1 压力脉动 150

7.2.2 补气压力 162

7.2.3 对系统的研究 166

7.3 水泵水轮机模型试验 170

7.3.1 压力脉动 170

7.3.2 导叶力矩 173

7.3.3 转轮受力 176

7.4 轴流式水轮机模型试验 179

7.4.1 灯泡贯流式水轮机试验 179

7.4.2 立式轴流转桨式水轮机试验 180

7.4.3 立式轴流定桨式水轮机试验 182

8 现场经验和工程案例 184

8.1 混流式水轮机中高负荷受迫振荡 184

8.2 混流式水轮机高负荷自激振荡 188

8.3 水泵水轮机脉动和空载不稳定性 194

8.3.1 钢管振动和高频脉动 194

8.3.2 空载不稳定性 195

8.3.3 中频脉动 198

8.4 轴流定桨式水轮机中固定导叶尾部的冯·卡门涡 200

8.4.1 固定导叶裂纹 201

8.4.2 分析和改进措施 201

8.4.3 后期研究 202

8.4.3.1 固有频率 203

8.4.3.2 对固定导叶的模态分析 203

8.4.3.3 冯·卡门涡频率 204

8.4.3.4 水力损失的下降 206

8.5 立式轴流转桨式水轮机带支墩进水口中的流动 206

8.5.1 高负荷噪声 208

8.5.2 根本原因分析 208

8.5.3 可采取的解决方案 211

9 工程导则 212

9.1 规划和设计 212

9.1.1 电站参数的影响 212

9.1.2 机组参数的选择 213

9.1.3 脉动和振动的保证值 214

9.1.4 共振及其他类型的故障缺陷 215

9.1.5 好的设计做法 217

9.2 模型试验 217

9.2.1 试验条件 217

9.2.2 试验范围 218

9.2.3 试验结果解释 218

9.3 现场试验 219

9.3.1 压力脉动的测量 219

9.3.2 振动测量 221

9.4 故障排除 222

参考文献 224

索引 242