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水 利 学 报

２０２４年 １１月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 １１期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）１１ － １３５６ － １０

混流式水轮机发电转空载工况转轮特性研究

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毛秀丽 １，２，３ ，陈星锟 ，尹进步 ，苟文涛 １，２ ，刘志明 １，２ ，何军龄 １
（１．西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨陵 ７１２１００；
２．西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨陵 ７１２１００；
３．早稻田大学 基础科学与工程学院，东京 １６９ － ８５５５，日本）

摘要：随着水电站逐步转向调荷运行，水轮机过渡工况运行时长增加将严重影响转轮性能。本文针对发电转空载
过渡工况，以某混流式水轮机为研究对象，采用 ＳＳＴｋ － ω湍流模型与流固耦合方法分别求解内流与结构特性。研
究结果表明：转轮内水 流 压 力 脉 动 频 率 为 导 叶、叶 片 频 率 的 倍 数，且 在 发 电 转 空 载 过 程 中 转 轮 内 各 监 测 点 的
３０ｆ、６０ｆ脉动幅值相近，幅值范围随着导叶关闭而逐渐缩小；转轮内涡旋结构主频为 ６４ｆ、６８ｆ，其脉动能量沿
ｎ ｎ ｎ ｎ
流线减小，随着转轮进口来流角 β 的减小，进水边压力面流动分离现象加剧，进一步出现绕流形成马蹄涡和高湍
动能区域，涡旋体积随负荷持续减小而先增后减；０．４Ｑ ＢＥＰ 时叶道涡延伸至转轮出口侧，且在 ｔ ＝ ７ｓ 时（０．２Ｑ ＢＥＰ ）涡
核分裂，各叶间涡连成片状阻塞流道。结构方面：偏离设计工况使得来流撞击叶片进水边导致等效应力的增加，
叶间流场马蹄涡位置与低等效应力区相对应。因涡核分裂与尾水管进口空腔旋涡双重作用，转轮出口边出现最大
等效应力（ ４ＭＰａ）与变形量（４．３μ ｍ）。内流与结构关联上：转轮流道约前三分之一区域的等效应力与转矩、流量
成线性关系，而转轮流道约后三分之二区域为三次函数关系。此外，变形量在负荷主导区与力矩、流量亦成线性
关系，在回流主导区是二次函数关系。
关键词：混流式水轮机；转轮；发电转空载工况；湍动能；振动模态
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＫ７３０ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０１４１
１ 研究背景

建设绿色清洁智能电网是当前世界各国研究的重点，随着更高容量的新能源并网，水电站逐步从
承担基荷转向调荷运行，其机组启停机次数增加严重影响工作部件性能 ［１ － ２］ 。关机过程中发电转空载
伴随着高强度水力冲击和水压脉动会对水轮机转轮产生较强的破坏性。一方面，长期的交变应力导致
转轮叶片产生变形甚至出现裂纹，且连续负载变化容易引起转轮高周疲劳，而机组频繁启停机易诱发
低周疲劳，二者双重作用加剧转轮疲劳破坏以致结构失效 ［３ － ４］ 。另一方面，转轮承受剧烈的内流脉动，
流体频率与结构频率及其倍频相近时极易引发共振现象 ［５ － ６］ 。因此，深入分析瞬态工况下水轮机内流
演变特征，揭示瞬变流与结构部件间的响应机制，对水轮机设计及其运行稳定性有重要意义。
现有研究表明在水轮机发电转空载工况下，导叶关闭使得转轮进口入流角严重偏离叶片安放角，
撞击回流逐步扩大影响范围，例如叶间流道出现流动分离、脱流、回流、二次流等现象 ［７ － ８］ 。涡流是
引起水轮机运行不稳定的根本原因，其不仅诱发了压力等参量的强烈脉动现象，而且不对称撞击过流
部件容易使得结构失衡，进一步触发故障甚至事故 ［９ － １０］ 。国内外学者采用理论分析、数值模拟与试验

收稿日期：２０２４ － ０３ － １６；网络首发日期：２０２４ － ０９ － ０６
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０９０５．１３４２．００１
基金项目：国家自然科学基金青年项目（５１９０９２２２）；陕西省博士后特别资助项目（２０２３ＢＳＨＴＢＺＺ２２）；中国水力发电学会第二届
“青年人才托举” 项目（ ＣＳＨＥ － ＹＥＳＳ － ２０２４００６）；国家留学基金委项目（２０２２０６３０５００３）；中国博士后科学基金第 ７５批
面上项目（ ２０２４Ｍ７５２６２５）
作者简介：毛秀丽（ １９９１ － ），副教授，硕士生导师，主要从事水力机械及其系统研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｍａｏｘｌ＠ｎｗａｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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