2.4 涡带形态
2.4.1 涡带形态描述
涡带的形态取决于水轮机的工况或工况参数。
涡带中心部分有空腔时，可借助于空腔的形态大致判断涡带的全貌，这样的涡带称为空腔涡带，这时尾水管中的水流为两相流。当涡带中心没有空腔时，称为实心涡带，可以根据压力脉动和已有的观察经验判断涡带的存在和形态，这时尾水管中的水流为单相流。
文献［1］记录了不同负荷下的尾水管水流和涡带的形态：
（1）在过负荷范围，在泄水锥下面很少发生反方向旋进的螺旋形涡带。涡头在泄水锥顶端，涡带为直的、同轴，在自然含气量下，空腔直径约为转轮直径的1/50，尾水管壁处没有涡带压力脉动。
（2）在部分负荷范围，螺旋形涡带在流量为无旋流量的30%～80%范围内出现，也有在圆周方向上同时出现两个或多个均匀分布涡带的可能性，涡头总是偏心的处于泄水锥表面。涡带呈锥状螺旋形，在自然含气量和当时试验条件下，空腔直径为转轮进口的1/5，而当流量减小时可增大到1/3。旋转速度仅随转速和流量的增大而略有降低。
2.4.2 涡带形态图例
1.文献中的描述
文献［3］ 给出了不同负荷下涡带的形态，其中：图2.20（a）为空转或负荷很小，死水区几乎充满整个尾水管；图2.20（b）为约30%～40%负荷，涡带稍微偏心，并呈螺旋形，螺旋角较大，压力脉动大，危险的区域；图2.20（c）为约40%～55%负荷，涡带严重偏心，螺旋形，压力脉动更大，更危险的区域；图2.20（d）为约70%～75%负荷，涡带是同心的，压力脉动很小，运行无扰动；图2.20（e）为约75%～85%负荷，无涡带，无压力脉动，运行平稳；图2.20（f）为约满负荷到超负荷，涡带在紧挨工作轮后收缩，有很小的压力脉动，可能产生扰动，特别是在超负荷时。图2.20（b）、（c）的涡带压力脉动较大。为了使测量结果尽量可靠，模型试验都是在无空蚀工况下进行的。如果将转轮后的压力降低到原型水轮机那样的空化系数，就会形成空腔涡带。
图2.20 尾水管空腔涡带的不同形状
2.中国水科院的描述
图2.21为中国水科院诸多模型试验中观察到的涡带形态的例子之一，它显示了在工况不变的情况下，涡带形态随空化系数变化的情况。空化系数越小涡带空腔越粗壮，空化系数越大空腔越细，当空化系数大于一定值后，空腔就消失了。
3.东方电机厂的涡带图［5］
图2.22为20世纪70年代当时的东方电机厂在D06a水轮机模型试验中观察得到的各种工况下的涡带形态图，其中标识为左侧小图样式的涡带为螺旋形涡带。试验是在电站的装置空化系数下进行的。
在电站的空化系数下，模型和原型水轮机尾水管中的绝对压力并不相等，在模型中看到的涡带空腔部分的形态与原型中是不一样的。
2.4.3 影响涡带形态的主要因素
影响涡带形态的因素，同时也是影响涡带压力脉动幅值的因素。这些因素将在涡带压力脉动部分讨论，这里仅作简要介绍。
图2.21 涡带形状随空化系数的变化
图2.22 东方电机厂模型试验观察到的涡带形态图
1.流量的影响
模型上，一定的单位转速下（例如对应最优工况的单位转速），涡带形态随流量的变化，如图2.20所示。小开度时，涡带比较粗壮，但涡带的螺旋半径比较小；大负荷时比较纤细，螺旋半径也比较小；中间负荷时，螺旋半径最大，这时的涡带压力脉动也最大。2.空化系数的影响
在相同的工况下（例如涡带压力脉动幅值最大的工况），顺序地改变空化系数，就可得到涡带形态和涡带压力脉动幅值随它的变化。前面的图2.21是在中国水科院试验台上观察到的一个例子，图2.23是文献［5］给出的例子。
图2.23显示，随空化系数的减小，涡带空腔的直径变得越来越粗，这在图2.23（b）上表现的尤为明显：当空化系数小于一定值后螺旋形涡带及其空腔完全消失。这反映了涡带形态随空化系数变化的普遍规律。
图2.23 n′10时0.785Q′10和0.6Q′10工况涡带形态随空化系数的变化
3.水头的影响
对于涡带的形态，水头不是独立的影响因素，它的影响归根结底表现为流量和空化系数的影响，而且在模型和原型水轮机上的影响很不同。