卡门涡是水流流动中与绕流体表面分离现象中的一种,在流动分离的瞬间,有一种力作用在绕体上,当卡门涡的分离频率与绕流体的固有频率一致时,就会引起绕流体的共振,即卡门涡共振。但不能根据模型试验结果判断原型机是否发生卡门涡共振?固有频率错频余量要大。
在混流式水轮机所有流动致振问题中,因转轮叶片出口卡门涡街诱发的共振是一种破坏力极强的水力弹性振动。这种共振一旦出现,水轮机运行时会出现啸声,并在很短时间内引起转轮叶片大面积裂纹。由混流式水轮机转轮叶片出口卡门涡街诱发的共振通常出现在转轮具有高流速的运行区,即通常出现在混流式水轮机的高负荷运行区。此外,啸声的频率高,且啸声的频率随着水轮机负荷的增加而增大。
水轮机中可能出现卡门涡和发生卡门涡共振的部件是固定导叶、活动导叶和转轮叶片,活动导叶发生卡门涡共振比较少见。叶片卡门涡共振有两个重要特征,(1)多出现在50%以上负荷的范围 (2)外在特征是产生异常噪声和引起某些部件(如顶盖)强烈振动。
水轮机中卡门涡引起的共振主要有两种形式,(1)引起叶片和某些部件共振和强烈噪声,并继而导致叶片裂纹;(2)引起水体的共振,水体共振产生强烈压力脉动可导致机组和强烈厂房振动。混流式水轮机转轮叶片出口卡门涡街的频率可以用下列公式计算:
式中,fk为卡门涡街频率,单位Hz;S为斯特鲁哈数,它与雷诺数有关,在反击式水轮机中,S=0 .18-0 .24;W为叶片边界层外的相对速度,单位m/s;t为脱流的尾迹宽度,单位m,该尾迹宽度为叶片出口边厚度、叶片正面边界层厚度、叶片背面边界层厚度三者之和。
就目前的技术而言,虽然通过转轮叶片流体动力学分析可以准确给出叶片边界层外的相对速度W,但要准确计算叶片出口边脱流的尾迹宽度t仍有难度。其次,由于斯特鲁哈数S与雷诺数相关,针对水轮机转轮叶片出口卡门涡街频率的计算,斯特鲁哈数S仍只能采用实验室对平板或圆柱等绕流体的实验结果,是一个经验值。因此,在转轮叶片设计阶段仍然无法准确计算出转轮叶片出口卡门涡街的频率。转轮叶片在水下的固有频率还难于通过模态分析准确地定量确定,这也为错开卡门涡街频率与转轮叶片水下固有频率带来新的难度。因此,目前的情况是,只有在混流式水轮机投入运行后被确认确实出现了转轮叶片出口卡门涡街诱发共振时,才能被动的进行补救。
处理该共振问题最有效的方法是通过修型叶片出口边型线来提高混流式水轮机转轮叶片出口卡门涡街的泄出频率,以便与转轮叶片的水下固有频率错开。提高转轮叶片出口卡门涡街泄出频率的另一个好处是,卡门涡街频率一旦提高,涡街能量将减弱,能量小的涡街很难激起共振。