1.本发明涉及水力机械技术领域，具体涉及一种减轻混流式水轮机、混流可逆式水泵水轮机顶盖垂直振动危害的顶盖内腔设计方法。
背景技术：
2.混流式水轮机、混流可逆式水泵水轮机等水力机械设备常遇到剧烈的水力振动，其主要表现为顶盖垂直振动严重，噪声严重超标。这类机组振动还会引起厂房强烈地振动，严重时甚至造成墙体或楼板开裂，给电站安全稳定运行带来很大威胁。
技术实现要素：
3.本发明的目的在于提供一种减轻水轮机顶盖垂直振动危害的顶盖内腔设计方法，用以减轻混流式水轮机、混流可逆式水泵水轮机在运行过程中的顶盖剧烈振动。
4.本发明提供一种减轻水轮机顶盖垂直振动危害的顶盖内腔设计方法，所述水轮机包括混流式水轮机和混流可逆式水泵水轮机，包括以下内容：
5.增大顶盖和转轮上冠之间间距，以降低静止的顶盖和旋转的转轮之间水体各层之间流速梯度和增加水层厚度；
6.取消顶盖下端面及转轮上部外端面的筋板及表面其它凸起，使顶盖内腔空间的上下两个表面保持平整光顺；
7.对无法消除的凸起增设遮挡，通过遮挡避免遮挡内部部件对水流的搅动，以降低夹层内水流流速，减少脱流旋涡，减轻甚至消除水流空化，进而减轻顶盖垂直振动。
8.具体地，所述顶盖和所述转轮上冠之间间距的最小值不小于50mm～150mm，且所述顶盖和所述转轮上冠之间间距不超过200mm。
9.更具体地，当所选择的混流式水轮机或混流可逆式水泵水轮机为大机组时，顶盖和转轮上冠之间间距的最小值为150mm，当所选择的混流式水轮机或混流可逆式水泵水轮机为小机组时，顶盖和转轮上冠之间间距的最小值为50mm。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
11.本发明公开了一种减轻水轮机顶盖垂直振动危害的顶盖内腔设计方法，该水轮机包括混流式水轮机、混流可逆式水泵水轮机，根据我们发现的空化空腔对压力脉动放大作用原理设计，通过保持顶盖和转轮之间流道的顺畅(不包括转轮和转轮室之间的迷宫间隙等)，没有凸起物搅动水流，降低流速，减少涡旋流，减轻该空间内水体空化，减小甚至消除空化空腔，相当于拆除了空化空腔这一能放大压力脉动幅值的“放大器”，从而可大幅度减轻顶盖垂直振动。本发明公开的减轻水轮机顶盖垂直振动危害的顶盖内腔设计方法，操作简单明了，仅需对顶盖内腔空间的结构件进行设计完善，省钱省力，很容易实现。
具体实施方式
12.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
13.我们研究发现，混流式水轮机、混流可逆式水泵水轮机这类机组的垂直振动与偏心涡带压力脉动、水轮发电机组静不平衡、动不平衡等常规的水力不平衡、电磁不平衡、机械不平衡问题关系不大，其实质原因是叶道涡、大负荷鼓形涡等空化空腔因膨胀
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收缩循环而衍生出的附加压力脉动。空化压力非常低(水温20℃的空化绝对压力为2339pa)，已非常接近0pa的绝对压力。在接近0pa的低压范围内，不到2.5kpa的压力变化(从绝对压力0pa至2340pa)就可能使水体经历由液态变为气态、由气态变为液态的相态突变。尤其是从气态变为液态时，由空化气泡群组成的空化空腔(以下简称“空化空腔”)本来占有一定空间，当其瞬间由水蒸汽的气态转化为液态水时，其所占空间大幅度减小，接近于从有到无的变化，腾出的大量空间会被周围的水体“占领”。汇聚的水体会产生巨大的冲击力，并因此而衍生出新生压力脉动。该压力脉动以疏密波(即“纵波”)的方式往周围传播，可通过转轮上冠外缘与顶盖之间的密封间隙进入顶盖和转轮上冠之间的内腔空间(以下简称“顶盖内腔”)，会将该压力脉动传播、施加给顶盖内侧下端面，引起顶盖的垂直振动，并进一步将振动传播至机组其它结构及厂房。
14.其实，该疏密波在传播过程中会不断衰减，尤其是一些形成于转轮出水边的压力波，由低压侧传播至高压侧其“威力”已大减。如顶盖下空间内全部充满水体，通常不会引起太强烈振动。但是，如果该空间内水体因流速高而产生空化，其空化空腔在传播至此的压力脉动影响下会产生剧烈得多的压力脉动，振动会被大幅度放大。当该压力脉动的低压传播进顶盖内腔空间时，会使已空化的空泡群进一步膨胀，增大空化空腔体积，施加给顶盖以向下的吸力或拉力；当压力波高压传播进入时，会使空化空腔收缩，空腔体积大幅度减小，甚至完全溃灭，水体快速冲进顶盖内腔施加给顶盖以向上的巨大冲力。该空化空腔体积越大，空腔溃灭时产生的冲击力越大，对前述衍生压力脉动的放大作用就越大。如此循环往复，会产生一强烈的、被放大的周期性强烈垂直振动。
15.因此，只要设法降低顶盖内腔中水流流速，使其不再空化，就不会因空化空腔的存在放大传播来的压力脉动，从而大幅度降低其造成的垂直振动。为降低存在于顶盖下部和转轮上冠上方这一夹层空间水流的速度，我们提出了增大顶盖和转轮上冠之间间距，取消顶盖下端面及转轮上部外端面的筋板及所有可能造成凹凸不平的装置，以及提高表面光洁度等设计，以减小转轮旋转带来的转盘损失，降低随转轮旋转的水体流速，起到增高顶盖内压力的作用，减轻甚至消除顶盖内水体空化，相当于拆除了放大压力脉动的“放大器”，能大幅度减轻顶盖及其它装置的垂直振动。
16.实施例1
17.实施例1提供一种减轻水轮机顶盖垂直振动危害的顶盖内腔设计方法，所述水轮机包括混流式水轮机和混流可逆式水泵水轮机，包括以下内容：
18.措施一：增大顶盖和转轮上冠之间间距，以降低静止的顶盖和旋转的转轮之间水体各层之间流速梯度和增加水层厚度。
19.具体地，顶盖和转轮上冠之间间距的最小值不小于50mm～150mm，其中，根据所选择的水轮机确定所述顶盖和所述转轮上冠之间间距的最小值，当所选择的混流式水轮机或混流可逆式水泵水轮机为大机组时，顶盖和转轮上冠之间间距的最小值为150mm，当所选择的混流式水轮机或混流可逆式水泵水轮机为小机组时，顶盖和转轮上冠之间间距的最小值为50mm。但无论所选择的水轮机是大机组，还是小机组，顶盖和转轮上冠之间间距不超过
200mm。
20.其中，降低静止的顶盖和旋转的转轮之间水体各层之间流速梯度，有助于减轻脱流，以减轻水流空化；增加水层厚度，即使下层空化，上层未空化水体还保持液态，该层液体在空化空腔溃灭时能对冲击水流产生一定缓冲作用。
21.措施二：取消顶盖下端面及转轮上部外端面的筋板及表面其它凸起，使顶盖内腔空间的上下两个表面保持平整光顺；
22.具体地，所述表面其它凸起包括螺栓、管线等，取消顶盖下端面及转轮上部的表面其它凸起的实施方式有：将露头螺栓改为沉头螺栓，将管线明装改为暗装。
23.其中，顶盖内腔空间的上下两个表面保持平整光顺，有助于降低水流随转轮旋转速度，增高水流压力，减轻或避免水体空化，减轻或消除对传播来压力脉动的放大作用。
24.措施三：对无法消除的凸起增设遮挡，通过遮挡避免遮挡内部部件对水流的搅动，以降低夹层内水流流速，减少脱流旋涡，减轻甚至消除水流空化，进而减轻顶盖垂直振动。
25.具体地，所述无法消除的凸起包括外露螺栓、管线和筋板等。
26.研究结果表明，水体空化后产生的空泡群空化空腔在压力脉动传播中有如下作用和影响：(1)能放大压力脉动幅值，传播来的压力脉动低压部分会使空化空腔膨胀，高压部分会使空化空腔收缩甚至溃灭，该空化空腔的膨胀
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收缩会引起周围水体对空化空腔的离开
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聚拢运动，空腔溃灭还会引起两侧水体的对撞，对顶盖产生巨大的冲击力。(2)空化空腔体积越大，其对压力脉动的放大作用越大。(3)顶盖内腔空间的高速水流主要集中在外缘，空化空腔也集中在外环空间；当空化空腔遇高压收缩或溃灭时，大量水体通过转轮外缘迷宫间隙向空化空腔“冲锋”，给顶盖以向上的冲击力，引起顶盖垂直振动。
27.因此，只要采取措施降低顶盖与转轮间流速，减少脱流旋涡，就可以减轻甚至消除顶盖内腔空间水流的空化，从而大幅度减轻其放大压力脉动的作用，减轻顶盖垂直振动。
28.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。