Page 76 - 2023年第54卷第12期

水 利 学 报

２０２３年 １２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 １２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）１２ － １４６４ － １２

混流式水轮机卡门涡致振机理探讨与分析

孟 龙，张驰也，徐洪泉，易艳林

（中国水利水电科学研究院，北京 １０００３８）

摘要：水轮机出现卡门涡后易引起振动等问题。许多安装混流式水轮机的水电站发生卡门涡频率的强烈振动，严
重时甚至造成转轮叶片裂纹破坏，学界多认为这是由卡门涡共振引起。本研究通过比较卡门涡频率和固有频率的
巨大差异、大朝山电站转轮叶片减薄修型后强振工况向大负荷转移等事实，提出新观点：大多数卡门涡强振及其
破坏并非由共振引起。本研究进行了模型水轮机卡门涡观测试验，比较了流量、空化系数对可见卡门涡的影响，
发现可见卡门涡多发生于大流量工况或低空化系数导致的涡心压力较低时，指出卡门涡由其涡心空化造成。通过
电站消除卡门涡危害的措施等进一步说明：卡门涡共振存在于小流量工况，但共振能量低，没有显著破坏性；大
流量工况的卡门涡强振并非共振，而源于卡门涡空化空腔溃灭产生的巨大冲击力。
关键词：水轮机；卡门涡；共振；固有频率；振型；空化空腔
文献标识码：Ａ
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｖ ７ ３ ４ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０３６４
１ 引言

流体绕过固体物体时，物体尾流左右两侧会产生如图 １所示成对、交替排列、旋转方向相反的对
称旋涡。冯·卡门从空气动力学的观点，找到了这种涡旋稳定性的理论依据，流体力学界也因此称这
种旋涡为卡门涡 ［１ － ３］ 。

图 １ 流体绕流圆柱体产生卡门涡示意图 ［３］

如绕流圆柱体的直径为 ｄ（单位：ｍ），流速为 Ｖ（单位：ｍ?ｓ），则卡门涡脱落频率 ［１，４］ 可用下式估算：
Ｖ
ｆ＝ Ｓ （１）
ｋ
ｒ
ｄ
５
６
５
式中 Ｓ为斯特劳哈尔数，与雷诺数 Ｒ有关。Ｒ为 ３００～３ × １０时，Ｓ≈０．２１；当 Ｒ为 ３ × １０～３ × １０时，
ｅ
ｒ
ｅ
ｅ
ｒ
６
有规则的涡街便不再存在；当 Ｒ大于 ３ × １０时，Ｓ≈０．２７。
ｒ
ｅ
水电行业一直对卡门涡振动高度关注 ［４ － ７］ ，主要是因为许多水电站遇到了源自于水轮机转轮叶片、
固定导叶出口的卡门涡频率强烈振动（以下统称为 “卡门涡强振”）。例如，采用美国早期转轮的黄坛
口、洪门 ［４］ 、上硐等电站因转轮叶片出水边过厚而在大负荷工况出现强烈卡门涡频率的振动，且很快
收稿日期：２０２３ － ０６ － １９
基金专项：中国水利水电科学研究院科研专项（ＨＭ０１４５Ｂ４３２０１６，ＨＭ０１４５Ｂ０１２０２１）
作者简介：孟龙（ １９８７ － ），高级工程师，主要从事水力机械设计，应用及研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｍｅｎｇｌｏｎｇ４２９＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
通信作者：徐洪泉（１９５５ － ），教授级高级工程师，主要从事水力机械开发及稳定性研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｘｕｈｑ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
— １ ４ ４ —
６