Page 80 - 2023年第54卷第12期

（２）即使叶片修型后有可能在更高频率下引起共振，仍无法说明原来强振发生的较低频率（３２０～
３５８Ｈｚ ）为什么修型后不再 “共振” 了。
（ ３）固有频率和刚度相对应，高固有频率对应于大刚度，薄弱的叶片与大刚度不相关，转轮的高
阶固有频率不属于叶片，不会产生对应高阶固有频率的叶片共振。
大量的电站实践已证明，减薄、削尖叶片出水边是解决卡门涡强振的正确、有效途径，增厚叶片
出水边却会带来破坏性后果，这与许多电站发生卡门涡强振、引起叶片裂纹破坏的直接原因是叶片出
水边太厚是一致的。
从大朝山电站发生卡门涡频率强振及解决卡门涡强振的实践，结合具体分析，可以明确的是，卡
门涡频率的强振多发生在大流量工况，且频率较高，一般远高于叶片的低阶固有频率，这种卡门涡频
率的强烈振动并不是由共振引起。
２．３ 真正的卡门涡共振存在但影响较弱 真正的卡门涡共振应发生于低阶固有频率，与其对应的激振
频率产生于叶片出水边流速较低的小流量工况。
根据式（ １），在叶片出水边厚度不变的情况下，降低流速即可降低卡门涡频率。实际上电站开机
过程中或低负荷运行必然存在某个工况，卡门涡频率等于叶片固有频率，也就是说在开机或者小负荷
工况，卡门涡共振必然会发生。但因为该工况范围流速低，环境压力高，卡门涡涡心未空化，卡门涡
引起的初始振动能力非常低，很少电站在低负荷发现异常强烈振动，因此该现象没有获得较多的关注
与研究。

３ 水轮机转轮叶片卡门涡模型观测试验

３．１ 试验装置及方法 为研究混流式水轮机转轮叶片出口卡门涡形成的条件及变化机理，课题组于
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２０１９年 ８—９月在中国水利水电科学研究院水力机械实验室 ３试验台进行混流式水轮机模型机组转轮
叶片出水边卡门涡观测试验。
３．１．１ 模型机及转轮主要参数 为获得更有普遍性的 表 ３ 模型水轮机主要参数
结果，本研究在同一套模型流道（即蜗壳、导叶、尾 模型转轮 Ｄ １ ?ｍ Ｂ ０ ?Ｄ １ Ｚ ｒ Ｑ １１ｏｐｔ ?ｍ ?ｓｎ １１ｏｐｔ ?（ｒ?ｍｉｎ）
３
水管等过流部件不变）对两个控制尺寸一致、水力参
Ａ ０．３５８ ０．３１３ １４ １．０２０ ７５．５
数相近的模型转轮 Ａ和 Ｂ分别进行了卡门涡观测试
Ｂ ０．３５８ ０．３１３ １４ １．０５５ ７８
验。模型水轮机和转轮的主要参数见表 ３。其中：Ｄ １
为转轮进口直径，Ｂ?Ｄ为导叶相对高度，Ｚ为转轮叶片数，Ｑ １１ｏｐｔ 为最优点单位流量，ｎ 为最优点
０
１１ｏｐｔ
１
ｒ
单位转速。
３．１．２ 试验方法 试验水头为 ２０ｍ，试验时通过改变转轮转速来调节模型单位转速 ｎ ，通过调节导
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叶开度来调节模型单位流量 Ｑ ，通过调节系统压力来改变空化系数 σ 。
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模型试验时，转轮叶片出口在大多数工况会产生卡门涡。但水轮机属有压流动，没有空化的单介
质水体无色透明，卡门涡旋涡流无法被发现。只有当空化系数下降、卡门涡涡心出现空化时，才能被
肉眼或摄像设备（在闪频仪的补光作用下）观察到，因此称之为 “可见卡门涡”。
本研究通过改变流量和空化系数的方式改变空化状况，并透过有机玻璃尾水管锥管观测记录转轮
叶片出水边空化及卡 门涡 空化 空腔 （即可 见卡门涡）的有、无 及 尺 寸变 化，研究 卡门 涡产 生 及变化
机理。
３．２ 试验结果及分析 发现如下规律：
（ １）可见卡门涡多发生于出水边较厚叶片。受加工精度影响，同一个转轮不同叶片的出水边厚度
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存在微小差异。Ａ转轮测试时，可见卡门涡多发生于 １３叶片（见图 ３，其 中亮 度较 高 叶 片为 １４叶
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片）；Ｂ转轮测试时，可见卡门涡多发生于 ４叶片（见图 ４）。试验后，分别测量了这两个转轮叶片及
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其附近叶片的出水边厚度，部分数据见表 ４，可见 Ａ转轮 １３叶片及 Ｂ转轮 ４叶片出水边均相对较厚。
也就是说，相同的工况下，出水边越厚，越可能观察到可见卡门涡。这个现象和许多电站转轮叶片出
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