第十一章水轮机自动调节
水轮机调节及频率调整概述
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频率给定 f c ：根据运行要求设定的系统频率。 开度/功率给定 y c p c ：对应于频率给定的开度及功率。 人工开度/功率死区：不起调节作用的开度及功率区间。
微机调速器进入稳定状态的必要条件：
f c f g 50 b p ( y c y ) f c f n 50 e p ( p c p )
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当系统负荷发生变化时，各机组根据自身的速度变动率，自动分配 系统的负荷变化，分配的多少与速度变动率成反比。 在二次调频中，一般选用速度变动率较小，容量大的机组或电站利 用调速器的频率调整机构，联合调节。这要求做此种功能的机组调节性 能要好，调速器动作灵敏。
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其实，对于比例-积分-微分环节的调节机理我们在对水轮机进行 手动调节时已经形象地反映出来了。例如：机组频率为51HZ和 54HZ均大于50HZ，但针对前者，关闭导叶的幅度要小一点，慢 一点；对于后者，幅度要大一点，快一点。这就是比例环节的 体现。 当机组频率接近额定值时，应当密切观察频率偏差， 缓慢、微量地开启或关闭导叶，直至机频恢复正常范围。 类似 于积分环节。 当机频由54HZ以较快速度下降到51HZ时，虽然仍 大于50HZ，但此时不应继续关闭导叶，可能还需要使导叶稍微 开启一点，这是针对水流惯性和机组惯性而采取的超前调节原 则，对应于PID环节中的微分环节。
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频率是衡量电能质量的指标之一，频率质量的下降不仅影响用户 的用电质量，同时对电力系统的影响也很大，严重时可造成系统瓦解。 当机组并入大电网运行时，水轮机调速器主要起到电网一次调频 的频率调节器和电网二次调频及电网负荷频率控制的功率控制器的作 用。所以，原来所说的水轮机调节系统的功能有了增加和扩展：在完 成水轮机频率调节任务的同时，还与电网AGC系统和电厂AGC系统相接 口，具有一些与电网控制有关的附加功能。 电网的一次调频是针对偏离了系统额定频率50HZ的频率偏差，按 功率永态差值系数（速度变动率）ep对机组进行功率控制，由于该系 数的存在，也决定了该调节是一个有差调节，因而由各机组共同完成 的一次调频不可能完全弥补电网的功率差值，从而也不可能使电网频 率恢复到允许范围。 为了进行电网负荷频率控制，使电网的功率差值得到弥补，恢复 电网频率，就必须进行电网的二次调频，控制机组的目标功率值，改 变调速系统静态特性曲线，使机组在新的目标功率值确定的静态工作 点下运行，补偿了功率和频率，电网实现新的功率平衡。
水轮机调速系统
水轮机调速系统用是什么？水水能电能转速给定自动调速器由测量元件、放大元件、执行元件和反馈（或稳定）元件构成。
测量元件负责测量机组输出电能的频率，并与频率给定值比较，当测得的频率偏离给定值知，发出调节信号放大元件负责把调节信号放大，然后通过执行元件去改变导水机构的开度，使频率恢复到给定值反馈元件的作用是使调节系统的工作稳定2、水轮机调速器的主要作用是什么？答：（1）根据发电机负荷的增、减，调节进入水轮机的流量，使水轮机的出力与外界的负荷相适应，让转速保持在额定值，从而保持频率（f=50Hz）不变或在允许范围内变动（2）自动或手动启动、停止机组和事故停机（3）当机组并列运行时，自动地分配各机组之间的负荷3、水轮机调速器分哪几种类型？调速器型号的含义是什么？答：按照测速元件的不同型式，可分为机械液压型调速器（简称机调）、电气液压型（简称电液）调速器和微机调速器按调整流量的操作方式不同分为单调和双调两类。
如混流式和轴流定桨式水轮机，只采用改变导叶开度的方法来调节流量的叫单调；而轴流转桨式水轮机采用改变导叶开度同时改变转轮叶片角度的方法来调节流量，此种方法叫双调；冲击式水轮机在改变喷针行程的同时，还采用协联动作改变折向器的方法调节流量，也叫双调4、电液调速器由那几部分组成？其主要元件叫什么？答：由电气和机械液压两部分组成。
其主要元件包括：永磁（也称测速）发电机、测频回路、信号综合放大回路，调节信号放大回路、电液转换器及机械液压放大装置。
此外还有位移传感器、缓冲回路、功率给定与硬反馈回路、功率给定与频率给定回路以及开度限制机构等5、电液调速器中，永磁发电机、测频回路和电液转换器各起什么作用？答：永磁发电机是装在机组主轴上，用以反映机组频率（或转速）变化的测速发电机，它供给测频回路频率偏差信号，同时供给调速器中各电气回路的电源测频回路就是利用电容元件C和电感元件L组成的谐振回路，相当机械调速器中飞摆的作用。
它将永磁发电机送来的频率（转速）变化与给定值之偏差△f （△ n）转变成与其成正比的电压信号，送至信号综合回路达到控制水轮机、实现机组自动调节的目的电液转换器是电液调速器中联接电气部分和机械部分的桥梁，由电气位移部分和液压放大部分组成。
水轮机调节ppt课件
水轮机的调节系统具有以下特点： 水轮机的工作流量较大，水轮机及其导水机构的尺寸也较大， 需要较大的力才能推动导水机构，因此，调速器需要有放大元件 和强大的执行元件(即前述的接力器)。 水轮发电机组以水为发电介质，水有较大的密度，同时，水电 站的输水道一般较长，其中的水体有较大的质量，水轮机调节过 程中的流量变化将引起很大的压力变化(即水锤)，从而给水轮机 调节带来很大困难。 对于轴流转桨式水轮机的导叶和转轮叶片、水斗式水轮机的喷 嘴和折流板、带减压阀的混流式水轮机等，需增加一套协调机构， 对两个对象进行调节，使调节更为困难。
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水轮机调节的基本概念
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水轮机调节系统的组成元件及各元件的相互关系可见下图
导水机构
水能 QH
机组
执行元件
放大元件
电能 UIf
给 定 f
f
测量元件
反馈元件
水轮机调节系统方框图
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图中的方块表示水轮机调节系统的元件： 箭头表示元件间信号的传递关系： 箭头朝向方块表示信号的输入， 箭头离开方块表示信号的输出，前一个元件的输出是后一个元件的
各参数随时间的变化情况，及在经过一段时间以后是否能达到 新的平衡状态(即稳定工况)，与调节系统的特性有关，这种特性 称调节系统的动特性。
若在经过一段时间之后系统能够达到新的平衡状态，那么新平 衡状态与原平衡状态的关系，即各参数是否能回复到初始状态， 亦与调节系统的特性有关，这种特性称调节系统的静特性。
例如： 电能频率的变化将引起用电设备电动机的转速变化，从
而影响电钟计时的准确性、车床加工零件的精度、布匹纤维 的均匀性等等。我国规定的电力系统频率为50Hz，其偏差， 大系统不得超过±O.2Hz，小系统不得超过±0.5Hz。
水轮机自动调节复习资料-图文
水轮机自动调节复习资料-图文1．频率波动过大有什么后果？电力系统对频率指标有哪些规定？频率偏差过大：将会导致以电动机为动力的机床、纺织机械等运转不稳定，造成次品或废品发生。
更重要的是频率偏差过大也会影响发电机组及电网自身的稳定运行，甚至造成电网解列或崩溃。
电力系统规定：我国电力系统标称频率50HZ，正常频率偏差允许0.2HZ，当系统容量较小时，偏差值可放宽至0.5HZ。
2．什么是调节系统和随动系统？调节系统：由调节对象和调节器两部分组成，是一种闭环或反馈控制系统，按照给定值与被调节量信号偏差工作的，其给定值或者保持常量，或者随时间缓慢变化。
随动系统：（伺服系统）是另一类闭环或反馈系统，其负荷变化往往不是主要输入量（扰动）。
与调节系统不同，随动系统的给定值带有随机性，经常处于变化过程中，系统的输出量以一定精度跟随给定值变化。
3．试画出自动调节方框图，说明水轮机调节系统的工作过程。
机组的转速信号（被调节参数）送至测量元件，测量元件把频率信号转换为唯一的电压信号后与给定信号比较，确定频率偏差及偏差的方向，根据偏差情况按一定调节规律发出调节命令。
命令被放大并送至执行元件去推动导水机构，反馈元件又把导叶开度变化的信息返回加法器，同时也形成一定的调节规律。
调节规律可以再前向通道中形成，也可以再反馈通道中形成。
4．与其它调节系统相比，水轮机调节系统的有哪些特点？1单位水体包含做功能量较小，○引用流量很大，笨重的导水机构，在调速器中需设多级液压2水流惯性产生的水击作用，调速器中要设置较强作用的反馈元件，以延缓导叶放大元件○3双重调节机构增加了调速器结构的复杂性○4在系统中担任调峰动作速度，保证系统稳定性○调频和事故备用任务，调速器应具有较高的控制性能和自动化水平。
5．水轮机调速器按元件结构及系统结构是如何分类的？按元件结构分：a机械液压型调速器（元件均是机械的）b电气液压型调速器（元件均是模拟电气的）c微机液压型调速器（元件均是数字的）按系统结构分：a辅助接力器型调速器（跨越反馈）b中间接力器型调速器（逐级反馈）c调节器型调速器（随动系统）6．什么是配压阀工作中间位置和死区？画出接力器速度特性曲线，接力器反应时间是如何定义的？并写出表达式。
水轮机调节的基本概念
基本概念
水轮机调节的基本概念
1.水轮机调节系统
水轮发电机组转动部分的运动方程为：
J
d
dt
Mt
Mg
式中动：角J—速—度机（组ra转d/动s）部；分n的—惯—性机矩组（转k动g·速m度2）r/；min）30n；—M—t—机—组水转轮
机转矩（N·m）； Mg——发电机负荷阻力矩（负载转矩）
的影响。通常所说的水锤效应（或水击效应）就是对这种水流惯性的一种形象的表述。
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基本概念
水轮机调节的基本概念
3.水轮机调节系统的特点
水流惯性时间常数Tw表达式为：
Tw
Qr gH r
L Lv A gH
式中：A——每段过水管道的截面积（m2）；L——相应每段 过水管道的 长度（m）；v——相应每段过水管道内的流速（m/s）；
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基本概念
水轮机调节的基本概念
1.水轮机调节系统
水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统
水轮机调节系统和水轮机控制系统在工作过程中，有两种工作状态： 静态（稳定状态）和动态（瞬变状态）。
调节系统的静态又称为稳定状态:稳定状态 (steady state)是指机
组在恒定的负荷、给定信号和水头下运行，水轮机控制系统和水轮机调 节系统的所有变量都处于平衡状态的运行状态。
g——重力加速度（m/s2）；Tw——水流惯性时间常数（s）。 从自动控制理论的观点来看，过水管道水流惯性使得水轮机调节系
统成为一个非最小相位系统，对系统的动态稳定和响应特性会带来十
分不利的影响。通常所说的水锤效应（或水击效应）就是对这种水流
惯性的一种形象的表述。
水流惯性时间常数Tw的物理概念是：在额定水头Hr作用下，过水 管道内的流量Q由0加大至额定流量Qr所需要的时间。
水轮机调节及水车自动控制讲义(修改)
第一章 调速系统基础知识1.水轮机调节的根本任务 水轮发电机组把水能转化为电能供用户使用。
用户除要求供电安全可靠外，还要求电能 的频率和电压保持在额定值附近的某范围内。
频率偏离额定值过大对用户不利，可能使用户的产品质量降低。
按规定：系统频率应保持在50HZ ，其偏差不得超过±0.5HZ ：对于大容量系统，频率的偏差不得超过±0.2HZ 。
此外，还应保持电钟指示与标准时间的偏差在任何时候不大于1分钟；对于大容量系统，不得大于30秒。
同时，电力系统的负荷是不断变化的，存在周期为几秒至几十分钟的负荷波动，这种不可预见的负荷波动幅值可达电力系统总容量的2~3%。
此外，一天之内系统负荷有早、晚两个高峰和中午、深夜两个低谷，这种负荷变化基本上是可预见的。
电力系统负荷的不断变化将导致系统频率的波动。
因此，必须根据负荷的变动不断地调节水轮发电机组的有功功率输出，并维持机组的转速（频率）在规定范围内。
这就是水轮机调节的根本任务。
2.实现水轮机调节的途径 通过什么方法与途径完成“水轮机调节”的基本任务呢？为简明起见，仅对一台水轮发电机组带负荷的情况进行讨论。
如图示是水轮发电机组示意图。
水轮发电机组示意图 水轮发电机转动部分是一个围绕固定轴线做旋转运动的刚体，它的运动可由下列方程描述：式中J ----机组惯性矩；ω---角速度，ω=p n/30（n 为机组转速）；t M ---水轮机动力矩； g M ---水轮机阻力矩。
水轮机动力矩由水流对水轮机叶片的作用力形成，它推动机组转动，其大小决定于：水头H ，导叶开度a （流量Q ），机组转速等。
由上式可见，实现水轮机调节的途径就是改变水轮机导叶的开度。
3.水轮机调节的特点 水轮机调节具有以下特点： 决定机组出力最基本的因素是水头和流量； 具有两套调节机构的水轮机，在对它们进行调节时，为了达到某种预期的目的，在两套机构之间设有相应的协联机构。
当导叶启闭时由水流的惯性所产生的水击作用通常是与导水机构的调节作用是相反的。
水轮机调节ppt课件
整理版课件
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4、调速器机械柜内各主要部件性能、结构 （1）主配压阀
主配压阀是液压放大元件，它的主要作用 是分配压力油进入接力器的开侧油腔或关侧 油腔，控制接力器的开和关。
是表征大型调速器的重要参数
遮程是影响调速机特性的因素之一
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3、步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器方块图
整理版课件
（3）对轴流转浆式、水斗式水轮机，需增加一套协调
结构，实现双重调整理节版课。件
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二 调节系统的特性
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水轮机调节系统
调速系统
调速器 随动系统 油压装置
调节对象
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调节系统 工作状态
调节前后的 稳定状态
静态特性
调节开始到终 了的过渡过程
动态特性
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二 调节系统的特性
1、调节系统的静态特性
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（4）紧急停机电磁阀 属于保护设施之一
动作的条件：机组运行中，几乎所 有紧急停机令的实施通道。
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（5）导、轮叶接力器作用 调速控制的执行机构 关闭规律影响调节过程的动态品质 整定开、关时间 设置分段关闭阀
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5、调速器油压装置各主要部件 （1）压油泵
生产压力油，是调速系统的能源。 （2）压力油罐 （3）回油箱 （4）输油管
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（4）调速器系列
第一部分：基本特性和类型
大型：无代号； 中小型带油压装置：Y； 特小：T
机械液压：无代号； 电动调节：D
单调：无代号； 双调：S
水轮机自动调节(1)
第二节 水轮机的泥沙磨损与防止
一、泥沙运动的特征 泥沙被水流挟持通过水轮机时，其运动必然
要受到水轮机空间流道约束。从宏观现象观察， 泥沙运动方向大体上与水流方向一致，但是泥 沙本身作为刚体，还要受到本身惯性、接触碰 撞，以及动量传递等多种因素的影响，从微观 角度研究，泥沙运动则是复杂的瞬变运动。 如图11-1所示，是单颗泥沙瞬间运动的轨迹。
第二节 水轮机的泥沙磨损与防止
三、磨损的微观过程
1.表面状况
泥沙磨损发生在过流表面层，弄清该层实际 情况，对深入揭示磨损规律是很重要的。如图 11-3所示，是接触处泥沙弹性碰撞局部放大示 意图。第一层为固体结晶；第二、第三层为切 削加工后所呈现的冷硬细结晶层和氧化膜；第 四层为表面吸附膜。
第二节 水轮机的泥沙磨损与防止
1.经验判断 根据长期运行经验，总结出有关振动的一
些规律。例如水力振动是水轮机过流部件内的 水力不平衡和水流不稳定而引起的振动，一般 其振幅随负荷增加而增大。判断方法是：关闭 导叶，将机组作同步电动机运行，如振动立即 消失，则表明属水力振动；反之，则可能是机 械和电气因素。
2.仪器测振
第三节 水轮机的振动与防止
第三节 水轮机的振动与防止
3.作用在反击式水轮机转轮叶片上的水力交变 分量引起的压力脉动；
4.由于导叶个数和转轮叶片数不匹配引起的压 力脉动；
5.由卡门涡列引起的振动；
当水流经过非流线型障碍物时，在后面尾 流中，将分离出一系列旋涡，称为卡门涡列。 如图11-4所示，这种卡门涡列交替地在绕流 体后两侧释放出来，在绕流体后部产生垂直 于流线的交变激振力，引起绕流体周期的振 动。
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第十一章 水轮机运行与检修
第一节 概述 第二节 水轮机的泥沙磨损与防止 第三节 水轮机的振动与防治 第四节 水轮机主要部件的检修
第一节 概述
水轮机运行是水轮发电机组运行的一个重要 方面，为使机组安全、可靠、稳定地生产电能， 必需对参加电能生产的所有动力设备进行定期的 检查和日常维护，对水轮机进行的操作、检查和 维修是水轮机运行的基本任务。
第三节 水轮机的振动与防止
6.尾水管中涡带引起的振动
消除这种振动的方法如下： 1）迅速避开上述低负荷运行工况区； 2）进行补气或补水。
7.尾水管中空腔压力脉动 8.高频振动 9.压力钢管水体自然振荡 10.水轮机止漏间隙不均匀或狭缝射流引起的振
动 （图11-6）
第三节 水轮机的振动与防止
二、振动分析及测振
1.经验判断 根据长期运行经验，总结出有关振动的一
些规律。例如水力振动是水轮机过流部件内的 水力不平衡和水流不稳定而引起的振动，一般 其振幅随负荷增加而增大。判断方法是：关闭 导叶，将机组作同步电动机运行，如振动立即 消失，则表明属水力振动；反之，则可能是机 械和电气因素。
2.仪器测振
第三节 水轮机的振动与防止
第二节 水轮机的泥沙磨损与防止
泥沙颗粒: 一方面作跳跃式相对移动， 另一方面又因自转。
二、泥沙磨损的类型 1.绕流磨损 所谓绕流磨损是指在比较平顺的绕流过程 中，细沙对过流表面冲刷、磨削和撞击所造成 的磨损，其特点是整个表面磨损比较均匀。 见图11-2
第二节 水轮机的泥沙磨损与防止
2.脱流磨损
脱流磨损是由非流线型脱流引起的。当过 流表面出现过大的凹凸不平（如鼓包、砂眼 等），叶片翼型误差较大或者偏离设计工况过 大时，均会出现脱流磨损 。
第四节 水轮机主要部件的检修
水轮机中易受泥沙磨损的零部件主要有： 水轮机转轮； 转轮上下迷宫环； 顶盖； 导叶； 导水机构的底环等；
第四节 水轮机主要部件的检修
一、转轮修复
对遭受破坏的水轮机转轮，修复的主要 手段是采用抗蚀耐磨材料补焊。
二、导叶修复
当导叶枢轴损坏不太严重时，可以采用补 焊修复，然后在车床上精加工。对含沙量大 的中、高水头水电站，导叶损坏往往比较严 重，甚至在导叶全关时也不能切断水流。此 时通常可采用直接更换导叶进行处理。 三、水轮机顶盖和底环的修复
2.疲劳磨损
在含沙的高速水流中，连续的撞击会产生 一种高频冲击波，金属材料应力集中处会出 现微小的疲劳裂纹。每当高冲量的沙粒撞击 一次，裂纹就周期性地张开与闭合，并不断 地向纵深扩展。金属材料表面上的这种交变 应力，形成了金属的疲劳磨损。
水轮机过流部件表面在远低于空气中的疲 劳极限时，就发生了损坏和破坏现象，这种综 合破坏的现象，通常称为应力磨蚀。
若水中含有足够数量的悬浮泥沙，坚硬的泥沙颗 粒撞击过流表面，使其疲劳破坏，这个过程叫做 水轮机泥沙磨损。实践证明汽蚀和泥沙磨损是造 成水轮机工作异常的主要原因。
第二节 水轮机的泥沙磨损与防止
一、泥沙运动的特征 泥沙被水流挟持通过水轮机时，其运动必然
要受到水轮机空间流道约束。从宏观现象观察， 泥沙运动方向大体上与水流方向一致，但是泥 沙本身作为刚体，还要受到本身惯性、接触碰 撞，以及动量传递等多种因素的影响，从微观 角度研究，泥沙运动则是复杂的瞬变运动。 如图11-1所示，是单颗泥沙瞬间运动的轨迹。
第二节 水轮机的泥沙磨损与防止
水轮机过流部件遭到破坏的原因很多，除 事故损坏之外，最主要的就是泥沙磨损、汽蚀 破坏和化学腐蚀。
泥沙磨损是一种物理破坏过程，并且是一种 渐变的破坏过程。泥沙磨损对过流部件表面的 破坏，其破坏区连成一片，就是在初期也成片 状的连续磨痕和斑点。此外，它的破坏深度较 化学腐蚀的破坏层要深；
用测振仪作精密定量测振。测出振动部位 的振动波形（振幅及频率），再对照有关频 率值，进行精密定量分析计算。
许多水电站的运行经验表明，水电发电机 组振动，直接影响机组甚至水电站厂房的安 全稳定运行，同时影响电厂的经济效益。尤 其是机组向高比转速、大容量方向发展，单 机容量增大，机组结构尺寸增大。为减少金 属用量，机组刚度相对地降低，振动问题将 更加突出。
第二节 水轮机的泥沙磨损与防止
三、磨损的微观过程
1.表面状况
泥沙磨损发生在过流表面层，弄清该层实际 情况，对深入揭示磨损规律是很重要的。如图 11-3所示，是接触处泥沙弹性碰撞局部放大示 意图。第一层为固体结晶；第二、第三层为切 削加工后所呈现的冷硬细结晶层和氧化膜；第 四层为表面吸附膜。
பைடு நூலகம்
第二节 水轮机的泥沙磨损与防止
汽蚀破坏的特征是过流部件表面呈海面状， 金属好似被一小块一小块地啄成深的小孔洞，
第二节 水轮机的泥沙磨损与防止
形成蜂窝状，在破坏初期，这些小孔洞是不连续 的，小洞旁边的金属可以是完好的；
化学腐蚀的特征是过流部件表面的金属被一 层层地剥落，破坏只在表面进行，破坏层很薄。
影响水轮机泥沙磨损的主要因素 ： 水流的含沙特性 过流部件的材质 水轮机的工作条件等
第三节 水轮机的振动与防止
机组振动是水电站运行中常见异常现象， 引起机组振动的因素大体上可分为水力因素、 机械因素和电磁因素；其中水力因素主要由水 轮机引起，且大多为自激振动现象。下面介绍 常见的水力振动。 一、振动频率
1.水轮机水力不平衡或机组旋转部件动不平衡 引起的振动；
2.反击式水轮机转轮进口处水流脉动压力引起 的振动；
机组振动的原因很多，彼此还可能交织 在一起，甚至产生相互加剧的连锁反应；但 是，在诸多因素之中，必定有主要的和次要 的，只要掌握振源的特点和变化规律，就可 准确地作出判断，及时找到和排除振源。
表11－1是水力振动方面的一个分析例子， 表中引出其振源、振因、振频，以及负荷情 况。
第三节 水轮机的振动与防止
第三节 水轮机的振动与防止
3.作用在反击式水轮机转轮叶片上的水力交变 分量引起的压力脉动；
4.由于导叶个数和转轮叶片数不匹配引起的压 力脉动；
5.由卡门涡列引起的振动；
当水流经过非流线型障碍物时，在后面尾 流中，将分离出一系列旋涡，称为卡门涡列。 如图11-4所示，这种卡门涡列交替地在绕流 体后两侧释放出来，在绕流体后部产生垂直 于流线的交变激振力，引起绕流体周期的振 动。