壓力脈動即脈動壓力，它就是壓力作用於被作用對象上並不均勻，在某個部位有較集中的或是較大的壓力，且這種壓力單次持續的時間不長，有可能呈現一定的周期性。
基本介紹
- 中文名：壓力脈動
- 外文名：Pressure fluctuation
- 又稱：脈動壓力
- 特點：單次持續的時間不長
- 定義：壓力作用於被作用對象上並不均勻
- 分類：常規壓力脈動、異常壓力脈動
壓力脈動產生原因與機理,壓力脈動基本方式,壓力脈動分類,常規壓力脈動,異常壓力脈動,壓力脈動對機組運行的影響,
壓力脈動產生原因與機理
1、水輪機運行偏離最優工況是壓力脈動產生的基本原因
反映混流式水輪機水力穩定性的各種壓力脈動都有其產生的具體原因。但是，綜觀這些常規和異常兩種壓力脈動產生的工況與機理可以看出，它們都是在水輪機偏離最優工況運行時產生的。這就是說．偏離最優工況運行是混流式水輪機壓力脈動產生的基本原因。而在最優工況範圍，幾乎沒有什麼明顯的壓力脈動。
2、尾水管水流的圓周速度是壓力脈動產生的決定性因素
從水輪機中水流的流動來看。偏離最優工況後，最大的變化是，轉輪中水流和轉輪出口水流產生了比較明顯的圓周速度分量，而且這個圓周速度分量一直延伸到尾水管中。因此可以說，圓周速度分量的出現和變化規律是各種壓力脈動產生和變化規律的基本條件與決定性因素。常規壓力脈動和尾水管水、氣聯合體共振產生的異常壓力脈動的產生機理都證明了這一點。這個因素和水輪機轉輪的水力設計與結構設計有密切相關，也是轉輪設計可以影響壓力脈動的基本原因。
3、不同壓力脈動是圓周速度產生壓力脈動的方式和機理不同的結果
圓周速度分量產生壓力脈動的具體方式和機理的不同，是產生各種不同壓力脈動的基本原因。例如：
(1)圓周速度分量對轉輪葉片進口的衝擊產生了小開度區和大開度區的壓力脈動。
(2)圓周速度分量與軸向速度分量的共同作用，形成了螺旋形旋進的渦帶，繼而產生了渦帶壓力脈動。
(3)尾水管中的圓周速度分量與肘管相互作用產生了同步壓力脈動，並成為水輪機流道水體共振最重要的激發力。
(4)圓周速度分量是尾水管中心真空、氣體空腔產生和變化的重要條件之一，由此而引起尾水管水、氣聯合體固有頻率的變化，為共振創造了一方面的基本條件。
4、空化係數是壓力脈動最重要的影響因素
空化係數或吸出高度是壓力脈動，特別是異常壓力脈動最重要的影響因素。它通過改變尾水管空腔體積（因而也就是改變渦核的直徑和偏心距）來改變渦帶壓力脈動的幅值，補氣消除共振的機理也在於此；它通過改變尾水管水、氣聯合體的固有頻率影響水體共振的出現或消失。所有尾水管水、氣聯合體共振及其產生的壓力脈動對空化係數十分敏感，也是由這個原因造成的。
除引起水、氣聯合體共振外，空化係數更多的影響是使聯合體的動力回響係數發生變化。這是造成模型與原型水輪機渦帶壓力脈動幅值不相似的主要原因之一。
氣體空腔的存在，也對尾水管壓力脈動產生吸收和緩衝作用。這是尾水管水、氣聯合體共振產生的壓力脈動幅值比引水管路水體共振小得多的主要原因。
壓力脈動基本方式
壓力脈動產生的主要方式有如下幾種。
(1)兩個周期性流場的偏心疊加。尾水管渦帶壓力脈動就是這樣產生的。
(2)葉柵入流、出流不均勻及其組合。由活動導葉、轉輪葉片形成的各個葉道出口的流速、壓力分布不均勻產生的，由與其作相對運動的物體或感測器就會感知。
(3)水流對轉輪葉片的衝擊、脫流和次生水衝擊。當葉片進口的水流沖角不等於零或者繞流體迎水面的尺寸比較大時，這種情況就會產生並由此產生壓力脈動。
(4)轉輪葉片對進口水流的撞擊。
(5)水體共振。水體共振是產生異常壓力脈動的主要方式。
(6)流動分離。卡門渦是最典型的流動分離現象之一。
(7)流道面積的周期性變化。迷宮壓力脈動就是流道面積周期性變化引起壓力脈動的典型例子。
(8)自激弓狀迴旋引起的異常壓力脈動。轉動部分自激弓狀迴旋時在轉輪迷宮間隙中引起的強烈壓力脈動。
(9)管道振動。引起管道中水體的壓力脈動。
壓力脈動分類
常規壓力脈動
(1)常規壓力脈動是混流式水輪機正常運行情況下產生的，只要水輪機在一定的工況下運行，相應的常規壓力脈動就必然產生。
(2)每個導葉開度區的常規壓力脈動都有其一定的特徵和規律，而且所有混流式水輪機都具有基本相同的特徵和變化規律。
(3)渦帶壓力脈動是常規壓力脈動中最重要的一個，它對機組穩定運行的影響需要進行具體分析。
(4)常規壓力脈動的幅值隨工況參數的變化是漸變式的，不會發生突然的變化。
(5)水輪機中的其他壓力脈動雖然並不代表水輪機的水力穩定性，但可能會對機組的振動穩定性產生影響。
異常壓力脈動
1、異常壓力脈動產生的充分條件
異常壓力脈動是水體或水、氣聯合體共振產生的。異常壓力脈動產生的充分條件是：①一定的工況條件；②尾水管水、氣聯合體的固有頻率與尾水管同步壓力脈動頻率一致。
在不同工況下，兩種頻率具有不同的組合關係；而在不同的組合關係下，就可能產生不同的異常壓力脈動。組合關係的產生和特性則間接反映水輪機特徵參數選擇和轉輪水力與結構設計的水平和取向。
2、尾水管水、氣聯合體是最重要的共振體
在水電站和水輪機中，主要的共振水體有3處：引水管路水體、轉輪與導葉之間無葉區環形水體和尾水管水、氣聯合體。其中，引水管路水體共振和無葉區環形水體共振不反映或不完全反映水輪機的水力穩定性。因此，尾水管中的水、氣聯合體是水輪機中最重要的共振體。已知的高部分負荷壓力脈動、低部分負荷壓力脈動、渦帶頻率的異常壓力脈動等，都是它共振的結果。此外，在偏離最優工況的各種水輪機工況下，還有產生其他尾水管水、氣聯合體其振的可能性。
3、異常壓力脈動的幅值
各種由水體共振產生的異常壓力脈動幅值的巨大區別，基本原因在於共振水體振動特性的差別。
單一水體共振產生的異常壓力脈動幅值最大，這是由於共振水體在常壓下具有不可壓縮和阻尼比較小的原因。
尾水管水、氣聯合體共振產生的異常壓力脈動最大幅值比單一水體小，與尾水管中氣體空腔的體積有關；體積越大，空腔的吸收緩衝作用越大，最大值越小，反之亦然。在模型水輪機中，高部分負荷壓力脈動最大相對幅值可能達到30%；渦帶頻率的尾水管水、氣聯合體共振產生的最大相對幅值曾經達到40%。在原型水輪機中，其他小負荷區和大負荷區由尾水管水、氣聯合體共振產生的壓力脈動最大相對值很少有超過20%的。
4、異常壓力脈動的其他重要特徵
共振工況區範圍比較小，共振又使壓力脈動幅值有很大的升幅，故共振區內壓力脈動幅值表現為“陡起陡落”的特徵，這也是它最大的外在特徵。
在水輪機流道橫斷面上，異常壓力脈動都具有同步特性，這也是對機組振動的影響主要表現在垂直振動上的主要原因。
壓力脈動對機組運行的影響
(1)常規壓力脈動可以增大機組的振動、擺度和轉輪葉片的動應力，影響的程度主要取決於壓力脈動幅值的大小和出現的工況範圍大小；尾水管同步壓力脈動對機組振動的影響則通過它們激發的異常壓力脈動表現出來。
常規壓力脈動隨開度和水頭的變化是漸變式的．不會產生突然增大或減小的現象。
(2)異常壓力脈動可以增大機組振動和轉輪葉片動應力，影響的大小取決於壓力脈動幅值和出現的工況範圍。但並不是所有的異常壓力脈動區都是不可運行的。
異常壓力脈動對機組固定支持部件的垂直振動影響比較大是其重要特點和特徵，對轉輪葉片的動應力也有很大的影響。
(3)渦帶頻率的同步壓力脈動及其激發的異常壓力脈動都可以引起機組的功率擺動。
