大型离心泵广泛应用于跨流域调水、大型农业灌溉、城市给排水、火力发电和其他能源化工等领域。本项目以离心泵为研究对象，以模型试验、原型测试和数值计算为基本手段，以揭示压力脉动机理和描述水力激振特征为主要目标，研究离心泵压力脉动与叶轮型式、来流条件、空化状态、运行工况等因素的关系，把握离心泵压力脉动所诱发的水力振动传播规律，完善离心泵压力脉动、水力激振计算模型和仿真方法，编制压力脉动、转子动力学特性及疲劳可靠性预测软件，构建离心泵压力脉动及系统安全稳定运行评价体系，为降低大型离心泵系统压力脉动、改善结构振动特性、增强运行稳定性，提供科学依据。

针对大型离心泵普遍存在的压力脉动和水力激振问题，采用理论分析、模型试验、原型测试和数值计算相结合的手段，对离心泵压力脉动与水力激振的影响因素、分布规律、计算方法和控制措施进行了深入研究。建立了用于离心泵旋转湍流瞬态分析的动态混合非线性SGS模型，发展了集URANS和LES为一体的离心泵压力脉动计算模型及相应的数值解法，为准确评估离心泵在不同工况的压力脉动提供了一种有效手段；建立了压力脉动与叶轮型式、运行工况、来流条件、空化状态等因素之间的关系，获得了双吸离心泵和单吸离心泵两类典型泵站的压力脉动频谱特征及时空分布规律；构建了瞬态流固耦合分析模型、压力脉动载荷作用模型、流体场和结构场载荷置换模型，并用所建立的模型开展了离心泵瞬态流固耦合分析，得到了离心泵在不同压力脉动载荷作用下的结构振动、叶片疲劳特性等结果，实现了在较高精度下的大型离心泵水力激振特性预测；探索了原型泵与模型泵之间的压力脉动相似关系、结构振动相似关系，揭示了压力脉动所引起的水力激振传播机理，给出了基于交替加载技术的减轻离心泵压力脉动与结构振动的途径。所取得的研究成果为改善离心泵水力设计、提高运行稳定性奠定了基础。

激振力（exciting force）是指由回转的不平衡质量作为振动系统的振动源产生的周期性简谐振动称为激振力。此不平衡质量为振动偏振子。根据这一原理设计了滑台式振动成型机振动台。

使振动体产生振动的力。其方向或作往复变化，如液压振动，或作360°方向变化，如偏心块旋转振动。液压振动的激振力决定于液压缸内活塞推力，与活塞面积和液体压力有关；单轴偏心块的激振力等于偏心块旋转时所产生的离心力，与偏心块质量、偏心距和转速有关；双轴式偏心块的激振力等于两偏心块离心力的向量和，若两偏心块的初始相位对称、转速相等、转向相反，则离心力时而叠加，时而抵消，形成往复定向振动。

1、水轮机运行偏离最优工况是压力脉动产生的基本原因

反映混流式水轮机水力稳定性的各种压力脉动都有其产生的具体原因。但是，综观这些常规和异常两种压力脉动产生的工况与机理可以看出，它们都是在水轮机偏离最优工况运行时产生的。这就是说．偏离最优工况运行是混流式水轮机压力脉动产生的基本原因。而在最优工况范围，几乎没有什么明显的压力脉动。

2、尾水管水流的圆周速度是压力脉动产生的决定性因素

从水轮机中水流的流动来看。偏离最优工况后，最大的变化是，转轮中水流和转轮出口水流产生了比较明显的圆周速度分量，而且这个圆周速度分量一直延伸到尾水管中。因此可以说，圆周速度分量的出现和变化规律是各种压力脉动产生和变化规律的基本条件与决定性因素。常规压力脉动和尾水管水、气联合体共振产生的异常压力脉动的产生机理都证明了这一点。这个因素和水轮机转轮的水力设计与结构设计有密切相关，也是转轮设计可以影响压力脉动的基本原因。

3、不同压力脉动是圆周速度产生压力脉动的方式和机理不同的结果

圆周速度分量产生压力脉动的具体方式和机理的不同，是产生各种不同压力脉动的基本原因。例如：

(1)圆周速度分量对转轮叶片进口的冲击产生了小开度区和大开度区的压力脉动。

(2)圆周速度分量与轴向速度分量的共同作用，形成了螺旋形旋进的涡带，继而产生了涡带压力脉动。

(3)尾水管中的圆周速度分量与肘管相互作用产生了同步压力脉动，并成为水轮机流道水体共振最重要的激发力。

(4)圆周速度分量是尾水管中心真空、气体空腔产生和变化的重要条件之一，由此而引起尾水管水、气联合体固有频率的变化，为共振创造了一方面的基本条件。

4、空化系数是压力脉动最重要的影响因素

空化系数或吸出高度是压力脉动，特别是异常压力脉动最重要的影响因素。它通过改变尾水管空腔体积（因而也就是改变涡核的直径和偏心距）来改变涡带压力脉动的幅值，补气消除共振的机理也在于此；它通过改变尾水管水、气联合体的固有频率影响水体共振的出现或消失。所有尾水管水、气联合体共振及其产生的压力脉动对空化系数十分敏感，也是由这个原因造成的。

除引起水、气联合体共振外，空化系数更多的影响是使联合体的动力响应系数发生变化。这是造成模型与原型水轮机涡带压力脉动幅值不相似的主要原因之一。

气体空腔的存在，也对尾水管压力脉动产生吸收和缓冲作用。这是尾水管水、气联合体共振产生的压力脉动幅值比引水管路水体共振小得多的主要原因。

压力脉动常规压力脉动

(1)常规压力脉动是混流式水轮机正常运行情况下产生的，只要水轮机在一定的工况下运行，相应的常规压力脉动就必然产生。

(2)每个导叶开度区的常规压力脉动都有其一定的特征和规律，而且所有混流式水轮机都具有基本相同的特征和变化规律。

(3)涡带压力脉动是常规压力脉动中最重要的一个，它对机组稳定运行的影响需要进行具体分析。

(4)常规压力脉动的幅值随工况参数的变化是渐变式的，不会发生突然的变化。

(5)水轮机中的其他压力脉动虽然并不代表水轮机的水力稳定性，但可能会对机组的振动稳定性产生影响。

压力脉动异常压力脉动

1、异常压力脉动产生的充分条件

异常压力脉动是水体或水、气联合体共振产生的。异常压力脉动产生的充分条件是：①一定的工况条件；②尾水管水、气联合体的固有频率与尾水管同步压力脉动频率一致。

在不同工况下，两种频率具有不同的组合关系；而在不同的组合关系下，就可能产生不同的异常压力脉动。组合关系的产生和特性则间接反映水轮机特征参数选择和转轮水力与结构设计的水平和取向。

2、尾水管水、气联合体是最重要的共振体

在水电站和水轮机中，主要的共振水体有3处：引水管路水体、转轮与导叶之间无叶区环形水体和尾水管水、气联合体。其中，引水管路水体共振和无叶区环形水体共振不反映或不完全反映水轮机的水力稳定性。因此，尾水管中的水、气联合体是水轮机中最重要的共振体。已知的高部分负荷压力脉动、低部分负荷压力脉动、涡带频率的异常压力脉动等，都是它共振的结果。此外，在偏离最优工况的各种水轮机工况下，还有产生其他尾水管水、气联合体其振的可能性。

3、异常压力脉动的幅值

各种由水体共振产生的异常压力脉动幅值的巨大区别，基本原因在于共振水体振动特性的差别。

单一水体共振产生的异常压力脉动幅值最大，这是由于共振水体在常压下具有不可压缩和阻尼比较小的原因。

尾水管水、气联合体共振产生的异常压力脉动最大幅值比单一水体小，与尾水管中气体空腔的体积有关；体积越大，空腔的吸收缓冲作用越大，最大值越小，反之亦然。在模型水轮机中，高部分负荷压力脉动最大相对幅值可能达到30%；涡带频率的尾水管水、气联合体共振产生的最大相对幅值曾经达到40%。在原型水轮机中，其他小负荷区和大负荷区由尾水管水、气联合体共振产生的压力脉动最大相对值很少有超过20%的。

4、异常压力脉动的其他重要特征

共振工况区范围比较小，共振又使压力脉动幅值有很大的升幅，故共振区内压力脉动幅值表现为“陡起陡落”的特征，这也是它最大的外在特征。

在水轮机流道横断面上，异常压力脉动都具有同步特性，这也是对机组振动的影响主要表现在垂直振动上的主要原因。