3　轴流转桨式水轮机协联曲线研究

本文计算区域为轴流转桨式水轮机蜗壳进口到尾水管出口整体流道，进行5个桨叶角度（-5°、0°、5°、10°、15°）、7个导叶开度[26°、30°、34°、38°、42°、46°、50°（活动导叶关闭状态默认为导叶开度为0°）]、5个水头（6.0m、8.0m、10.0m、12.0m、16.0m）共计200多工况分析计算，依据数值计算结果得到不同计算工况流量、效率、出力等特征参数。通过绘制各水头下不同定桨工况η=f（Q11）曲线，基于包络线法获得最佳协联工况点，在此基础上完成水轮机综合效率曲线[5]。

如图8所示为H=10.0m设计水头下η=f（Q11）、a=f（Q11）曲线，从各桨叶角度的单个效率曲线与包络线的切点获得效率最高点，即该水头下转轮桨叶和活动导叶最佳匹配组合的最佳协联工况点。

图8　H=10.0m设计水头下η=f（Q11）、a=f（Q11）曲线

采用相同方法绘制其余各水头η=f（Q11）、a=f（Q11）曲线，通过包络线法得到各水头下的所有25个协联工况点参数。基于Matlab软件绘制的轴流转桨式水轮机综合效率曲线如图9所示。

图9　轴流转桨式水轮机综合效率曲线

从水轮机综合效率曲线图中可以得知该水轮机组高效运行区域较宽，高效率区域覆盖面积较大，单位流量范围为850～1400L/s，水力效率值范围为86%～93%，单位转速范围为130～160r/min。在水轮机由小流量工况向设计工况及大流量工况偏移过程中，水轮机水力效率呈现先增加又降低的趋势，这也验证了轴流转桨式水轮机适用于中低水头段、大流量工况的特点。

水轮机最佳协联工况应该具有高效、稳定和低汽蚀性能等特点，协联关系与水头大小密切相关，同时能够保证水轮机在负荷或者水头改变时转换到协联工况高效稳定运行，改善水电站经济条件，减小水量消耗。当水轮机由协联工况转换至非协联工况时，水流流动无规律，效率急剧下降、空化性能恶化，严重影响机组安全性、稳定性和经济性。因此，协联关系对于保证水轮机组高效稳定运行具有重要意义。