水轮机补气条件下的压力脉动机理研究

水轮机水力振动是涉及水电机组安全稳定运行的重大问题，补气是水电站普遍使用的减振方法。水轮机补气条件下的压力脉动问题是水力机械领域的重要学术问题和工程难题。本项目以模型试验、理论分析和数值模拟为手段，以揭示水轮机补气条件下的压力脉动机理为目标，主要研究内容包括：在水洞试验台和水轮机模型试验台上，研究补气对水轮机内各种空化的影响机理；在Kunz空化多相流模型和Singhal完整空化模型的基础上，建立水轮机掺气空化湍流数学模型；对水轮机主轴中心孔补气、顶盖补气、底环补气以及活动导叶尾缘补气条件下的掺气空化湍流进行模拟；采用涡动力学方法，分析不同补气位置和补气量对水轮机内各种涡旋运动和压力脉动的影响机理。为水轮机补气减振提供可靠的理论依据，具有重要的学术价值和工程应用前景。

以模型试验、理论分析和数值模拟为手段，以研究水轮机内三维多相湍流运动规律、揭示水轮机补气条件的压力脉动机理为目标，开展了以下三个方面的研究工作：研究了水轮机主轴中心孔补气条件下的压力脉动规律，分析了补气对水轮机尾水管内压力分布的影响，揭示了补气量与压力脉动频率、幅值之间的内在关系；探讨了水轮机泄水锥改型对涡带形态和压力脉动的影响规律；阐明了叶片空化与压力脉动频率和幅值之间的关系。研究结果表明：主轴中心孔补气减小了尾水管断面的压差，从而降低了压力脉动的振幅；补入的空气随着涡带一起旋转，对涡带转动频率影响不明显，因而补气后尾水管压力脉动的主频没有发生变化；补气孔入口与转轮之间存在动静干扰，在转轮区域形成新的振源，增强了转轮前的中频压力脉动，补气量的选择应考虑减弱低频脉动和增强中频脉动两方面的影响；泄水锥改型能够改变尾水涡带的形态，改变压力脉动的主频，对水力效率、尾水管压力脉动振幅的影响与导叶开度有关；泄水锥改型主要影响由涡带引起的低频压力脉动，对动静干扰引起的叶片频率压力脉动影响不明显；叶片空化显著增强了流道内各过流部件的压力脉动幅值。