4　基于协联工况的转轮出口速度分析

水轮机转轮内部区域流场分布非常复杂，通过探究协联工况下的水轮机转轮出口流动机理对于转轮叶片改型设计具有实际意义。当水轮机转轮高速旋转时会使转轮周围区域流场处于三维运动中，将转轮域出口速度U分解成轴向速度Uy、径向速度Ur和切向速度Ut。转轮出口位置取为靠近叶片区域（Z=0.2m），其中Z=0的位置为转轮旋转中心线。

图10～图12分别为设计水头（H=10.0m）下协联工况点处转轮出口轴向速度、径向速度、切向速度沿半径的分布情况。其中，r/R＜0.34区域对应叶根和轮毂区，主要起连接作用，在此主要分析转轮叶片做功部分，即对应图中横坐标为0.34～1的范围。

从图10～图12中可以得知，设计水头下协联工况点处转轮出口轴向速度、径向速度、切向速度沿半径分布趋势基本一致，转轮轴向速度Uv从转轮轮毂至轮缘处均匀平稳过渡。转轮轮毂处速度随转轮桨叶开度的增加呈现增加的趋势。其中，轴向速度向轮缘处发展的过程中也出现先增加后较小的现象。随着桨叶开度增加，轮毂处至轮缘处速度差变化较明显，流动变化逐渐剧烈。其中，效率最高的协联工况转轮轴向速度从轮毂至轮缘处速度变化更加平稳，速度波动范围较小，这也说明转轮区域内水流流动更加顺畅，水轮机水力损失达到最小。

图10　转轮出口轴向速度沿半径分布

图11　转轮出口径向速度沿半径分布

图12　转轮出口切向速度沿半径分布

转轮出口径向速度Ur从转轮轮毂至轮缘处呈现先增加后减小的趋势，随着转轮桨叶开度的增加速度变化幅度非常明显。当r/R=0.8～0.9时，转轮出口切向速度出现突变现象，转轮出口径向速度从转轮轮毂至轮缘处呈现先增加，位于r/R=0.8处出现速度峰值，然后逐渐下降。切向分布：Ut值沿半径增大而增大，在r/R＜0.65，即分别为靠近转轮轮毂和叶片，Ut值随桨叶开度的不同变化较小，在靠近轮缘处随桨叶开度增加均匀增加。

综合看来，转轮出口速度分布中轴向速度占主要部分，协联工况点处转轮出口轴向速度、切向速度和径向速度沿半径的分布呈现规律性变化。转轮出口速度沿半径均匀过渡，速度差变化小的转轮水力性能最为优良。水轮机转轮桨叶开度以及合理范围内的水头变化对于水轮机水力效率的影响较小。