Page 41 - 2023年第54卷第7期

轮叶片吸力面叶道中间捕捉到涡结构，并且延伸至下一个叶片的压力面，此外在压力面靠近上冠处也
出现了局部涡漩结构；在 ｔ时刻，转轮吸力面叶道中间的涡漩结构尺度增大，压力面靠近进水边的涡
３
漩结构也较为明显，且强度较吸力面处出现的涡漩结构大，整个流道内基本被涡漩堵塞；ｔ时刻流道
４
内仍然充斥着涡漩，涡漩结构堵塞着各个流道，引起水力损失增加，流入尾水管内的水流能量降低。
对比图 ６和图 ７发现，转轮出口处出现堵塞现象，这是由于来流方向与叶片头部之间形成了较大的冲
角，使得流道内出现了不同尺度的涡漩，导致水流无法正常通过流道。进一步分析得到 ４个时刻水轮
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机转轮内涡漩结构体积分别为 ０．００００２７ｍ 、０．０００１７ｍ 、０．０００３７ｍ 和 ０．０００５１ｍ ，发现随着转速的
不断升高，流动分离现象逐渐加剧，诱发的涡漩结构体积逐渐增大。

图 ７ 不同时刻转轮内部涡漩结构（ Ω ＝ ０．５２）
４．４ 压力脉动分析 压力脉动是反映机组稳定运行性的重要参数，且其剧烈程度与转轮内的不稳定结
构紧密相关，为明确飞逸过程中各过流部件内压力信号的变化，对无叶区、转轮及尾水管内监测点压
力数据进行短时傅里叶变换（ＳＴＦＴ），如图 ８所示。采用对数处理的 ＳＴＦＴ不仅可在一张图上同时显示
时间、频率和幅值这三者之间的对应关系，而且能够更加清晰地显示不同时刻的压力幅值差异。由于
对压力幅值的绝对值与基准值的比值作对数处理，且压力幅值小于基准值，因而幅值均为负值。
由图 ８（ａ）可知，远离转轮进口的监测点 ＶＬ０１在转速上升阶段的过渡过程中，１３．０ｆ（ｆ为转频）
ｎ ｎ
处的幅值较高，为转轮叶片通过频率，其谐波频率的幅值比 １３．０ｆ（叶频）处的幅值低，但也具有一定
ｎ
的脉动强度；在 ｔ＞０．４ｓ且频率范围为 ０～０．５倍叶频内，无叶区捕捉到具有宽频特征的高振幅压力脉
动，而在 ＶＬ０２测点处，高幅值的叶频及其谐波频率更加明显，与此类似的是，在 ｔ＞０．６ｓ且频率范围
为 ０～２倍叶频内，也出现了高幅值的低频脉动，该处宽频特征更加明显，这是由于 ＶＬ０２监测点更靠
近转轮，其所受的动静干涉作用更强，因此压力波动更加剧烈。综上可知，转轮叶片通过频率是无叶
区内压力测点最显著的频率特征，同时捕捉到频率范围为 ０～０．５倍叶频的低频高幅值压力脉动。
分析转轮叶片上监测点的 ＳＴＦＴ结果可知，在整个过渡过程中，均出现了低频高幅值的压力脉动。
靠近转轮进口的 ＰＳ１１、ＳＳ１１两点处导叶通过频率 ２４．０ｆ下幅值较高，同时也发现了频率范围为 ０～０．５
ｎ
倍叶频的高振幅脉动信号，而靠近转轮出口的 ＰＳ１２、ＳＳ１２两点的压力脉动现象规律基本相同，捕捉
到的特征频率除了动静干涉频率外，还捕捉到频率范围为 ０～１５．０ｆ的高幅值压力脉动，其脉动强度明
ｎ
显高于吸力面，表明飞逸过程中水轮机内部的压力场在低频时具有较高的能量。对比可知，沿着流动
方向，压力脉动的幅值逐渐增加，靠近出口处测点的低频脉动强度高于进口处，表明该低频脉动压力
场具有的能量随水流的流动而逐渐耗散。
尾水管在初始阶段内显著的脉动频率为 １３．０ｆ，表明初始阶段转轮的旋转影响着尾水管锥管段，
ｎ
而在 ｔ＞０．４ｓ且频率小于叶频范围内，与无叶区、转轮内的压力脉动情况类似，也同样捕捉到频率范
围为 ０～０．５倍叶频的低频高幅值压力脉动，但幅值较转轮内小。
对比图 ８（ａ）—（ｃ）可知，除动静干涉作用引起的高幅值压力脉动外，飞逸过程中的另一个显著特
征就是激发了具有宽频特征的低频高幅值压力脉动，其频率范围在 ０．５倍叶频以下，该压力信号可能
与转轮内的涡漩结构有关。此外，该低频脉动压力场的能量在转轮内最高，在无叶区和尾水管内较
低，表明其压力场的能量在向上下游传播的过程中发生耗散。
４．５ 基于能量平衡方程的损失分析 水轮机飞逸过渡过程中，过流部件最终耗散水轮机水头所对应的
所有能量、承受较大的压力负荷直至转轮扭矩为零。该过程中的能量耗散，是维持水轮机内部的流动

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