一、引　言

　　三峡水电站是世界上最大的水电站，今后我国还将修建若干个大容量的巨型水电站，水轮机的性能对水电站的效益有着举足轻重的影响。对三峡模型水轮机引水部件的流动特性进行测试研究不仅对于了解其流动规律改进水轮机设计有重要意义，而且能为水轮机内部流动的数值分析提供实测依据。

二、测试方法

　　试验是在水利部天津勘测设计研究院水轮机试验台上进行的。模型装置由哈尔滨大电机研究所提供，模型转轮由作者设计、东方电机厂制作。模型水轮机导叶相对高度为0.28，转轮直径D₁=350mm。试验水头约4m。
　　采用五孔测球测量流场，测量断面布置见图1所示。第Ⅰ断面设在蜗壳进口前的圆管上，第Ⅱ断面设在蜗壳出口亦即固定导叶进口，第Ⅲ断面位于活动导叶之后，以了解蜗壳进出口、导叶区双排叶栅前后以及转轮前的流动特性。每个测量断面布置4个测站，沿圆周均匀分布，每个测站取5～7个测点。

图1　测量断面及测站布置

　　随Q′₁及n′₁变化共布置了7个测量工况点(见图2)，由此可以了解最优工况(工况点3)及偏离工况时的流动特性。

图2　测量工况点布置

　　流速场测量系统由五孔球、压力(差压)传感器、数据调理板、A/D转换及计算机等组成。五孔球在风洞中标定，孔压测量系统在原位进行标定。由于采用了灵敏度较高的传感器并通过计算机采集和处理数据，该方法较传统的水银柱测压人工读数法不仅精度有所提高，而且能及时获得速度分布结果，减少人力、加快测量进度。
　　各断面速度分量的正方向规定如下：对Ⅰ断面，V_x为管道轴向分速度，以实际流向为正；V_u为圆周分速度，顺水流方向看逆时针为正，V_r为径向分速度，向外为正。对于Ⅱ、Ⅲ断面，径向速度V_r指向中心为正；轴向分速度V_z向下为正，周向速度V_u以转动方向为正。

三、最优工况(工况3)的流动特性

3.1　蜗壳进口(Ⅰ断面)流动特性
　　图3为Ⅰ断面2测站速度分布图，其横坐标用伸进距离相对值S′表示；由图看出V_u、V_R均很小，，V_x是流动的主要分量且符合圆管中流动的规律。其它测站的速度分布与此类似，但其值在I₁、I₂测站偏小些，I₃、I₄测站偏大，这是因为在I断面前引水管路有10°的转折及扩散段，是模型水轮机具体的管路布置所致。

图3　最优工况Ⅰ₂测站速度分布

3.2　蜗壳出口(Ⅱ断面)的流动特性
　　图4为Ⅱ断面各测站的速度及速度矩分布图，由图看出，其轴向速度V_z基本上呈直线分布，在导叶中部近似为0，其速度V及其它分量相对于导叶中心线也是对称分布的，这是因为蜗壳具有上下对称形状所决定的,V_r沿高度方向分布为两端大中部小，说明在断面中存在着二次流，这是水流在弯曲流道中所引起的现象，总的说速度V沿高度分布较为均匀、周向速度V_u则为中部大两端小，及V_r均为两端大中间小，因此V_m也必然为两端值大于中部。由四个测站速度分布看出，流动的轴对称性较差。

图4　最优工况Ⅱ断面各测站速度分布

3.3　导叶出口(Ⅲ断面)的流动特性
　　图5为Ⅲ₃测站的速度分布图，其它各测站的速度分布规律与此类似。由图看出，速度V及及各分量均是从上至下逐渐变大的。由于轴面流道弯曲的影响，下环处轴面速度较上冠处大是很自然的。由于轴面流线的倾斜程度自上而下是逐渐增大的，在上冠附近，流线基本水平，因此V₂近似为0，越靠近下环V_z越大，V_r虽然自上而下增大，但不如V_m变化大。在上部，由于V_z很小，V_r≈V_m，在下部主要由于V_z增大才使V_m迅速增大。V_u在上冠处增大较快，其它部分较为均匀，这可能是受上冠边壁边界层影响的缘故。由于各测点的半径r是相同的，因此速度矩V_ur的分布规律与V_u类似。

图5　最优工况Ⅲ₃测站速度分布

四、其它工况的流动特性

　　测试工况中，工况点1、2、3、7、4的n′₁相同，其Q′₁依次增大，工况点5、3、6的Q′₁相同，其n′₁依次增大。
　　在Ⅰ断面中，速度随Q′₁增大而增大，流动特性与最优工况类似，均符合圆管流动规律，当n′₁变化时对Ⅰ断面的流动没有影响。
　　n′₁变化对Ⅱ断面(蜗壳出口)的流动基本无影响，随着Q′₁变化，其速度分布规律与最优工况类似，只是数值增大或减小。图6为2、3、4工况Ⅱ断面速度及各分量圆周方向平均值在高度S′方向的变化曲线。由图可见，速度V及其分量V_r、V_u均随Q′₁增大而增大。V_z则在中部仍近似为零，曲线的斜率随Q′₁增大而增大，保持对导叶中心上下对称的收缩流动。

图6　Ⅱ断面速度分布随Q′　₁　变化
(2#:Q′₁=730.5l/s;3#:Q′₁=888.3l/s;4#:Q′₁=1040l/s)

　　图7为Ⅲ断面速度及其分量(沿周向平均值)随Q′₁变化时的分布情况。由图看出，其分布规基本相同，均为从上冠至下环逐渐增大。除V_z变化的规律性较差外，V及V_r均随Q′1增大而增大，V_u则随Q′₁增大而减小。这主要是因为导叶出口角随Q′₁增大而增大所致。因而V_r值随Q′₁增大而减小。

图7　Ⅲ断面速度分布随Q′₁变化

　　图8为Ⅲ断面速度及其分量(沿周向平均值)随n′₁变化时的分布情况。由图看出，随n′₁变化V_r分布基本不变，这是由于流量没有变化的缘故。V_z变化也不大。随n′₁变化，V及V_u的分布规律是类似的，其值随n′₁增大而减小，Ⅲ断面的流动不仅受到导叶的影响，还受到转轮的影响。工况5与工况3的导叶开度基本相同，因此图中曲线的差异主要是由于转速变化造成的。工况6与工况3相比不仅转速有变化，而且导叶开度也有所变化，因此所引起的曲线差异较5工况大得多。

图8　Ⅲ断面速度分布随n′_i变化
(5#:n′₁=62.7r/m;3＃:n′₁=78.8r/m;6#:n′₁=92.7r/m)

五、对试验结果的初步分析

5.1　关于Ⅱ断面流动的轴对称性
　　由图4看出，Ⅱ断面流动圆周方向的轴对称性较差，图9表示了最优工况Ⅱ断面各测站的平均速度V、V_u及V_r沿圆周方向的变化，其不均匀性就更明显了。相对说V_r的均匀性较V及V_u好些，造成轴对称性差的原因除了蜗壳进口来流不很均匀外，主要与蜗壳断面面积变化规律有关。试验蜗壳进口流速系数为0.699，断面面积呈线性变化，此直线与按V_u=C设计的断面面积变化曲线十分接近，也就是说它较按V_uR=C设计的蜗壳断面要大，尤其是在中部及尾层。这是造成V及V_u从进口至尾部逐渐变小的原因。由图4还可以看出在不同测站二次流也有较大变化。这是因为Ⅱ₁测站离蜗壳进口较近二次流刚形成。所以强度还不很大，在Ⅱ₂测站，水流已经历足够长的弯道流动，二次流强度变大了，但水流继续向前流动，由于蜗壳中平均流速的降低以及蜗壳断面中径向宽度的迅速减小，又使二次流强度减弱，到Ⅱ₄测站时，二次流甚至变得不明显了。二次流会增加流动损失，因此应进一步开展研究，以便减小二次流。
5.2　关于固定导叶进口水流角
　　图10为最优工况时Ⅱ断面各测站水流角δ沿高度的分布：δ=tg^-1(V_r/V_u)。由图看出，除Ⅱ₄测站δ分布较均匀外，其它测站均匀性较差，这种不均匀性主要是由二次流强弱影响的，二次流越强，则δ的均匀性越差。由设计图计算，固定导叶进口安放角δ_A=40°。由图看出对大多数固定导叶进口会产生较大的正冲角，最大达20°左右，看来此安放角设计偏大，适当减小有利于减小进口撞击，提高水轮机效率。

图9　最优工况Ⅱ断面速度周向分布

图10　最优工况Ⅱ断面水流角分布

5.3　关于活动导叶出口水流角
　　图11为最优工况Ⅲ断面水流角α₂(周向平均值)沿高度的分布，α₂=tg^-1(V_r/V_u)。由图看出，由上冠至下环α₂的变化较小，这是导叶出口安放角从上至下不变所致。导叶出口的平均水流角约为19°，经计算此时导叶出口安放角α_2e为22.3°，也就是说水流平均偏转了约3.3°。由此可见导叶叶栅不能视为完全的稠密叶栅。

图11　最优工况Ⅲ断面水流角α₂

5.4　关于转轮进口的环量分布
　　图12为最优工况下Ⅲ断面环量沿高度的分布，其横坐标是以轴面流线号。由图看出从上冠至下环速度环量是增大的。其变化量约为转轮进出口环量差ΔΓ的33%。可以近似认为，从第Ⅲ断面至转轮进口沿流线速度矩是不变的，即Ⅲ断面的环量分布曲线也就是转轮进口环量Γ₁的分布曲线。可见在转轮进口边从上冠至下环的环量分布也是逐渐变大的。在转轮的传统设计方法中，一般取转轮出口环量为0或一小值，然后按水轮机基本方程计算出转轮进出口间环量差ΔΓ并推算出转轮进口环量，所得结果为沿进口边环量是常数，显然这与实测结果不符，是不合理的。如果把转轮进口环量分布用一直线来近似(见图12)，那么在上冠处进口环量可近似取为ΔΓ，而取下环处环量比上冠处大(25%～30%)ΔΓ是大体合理的，此值只是对于B₀=0.28D这种水轮机而言的，随n_s的变化或B₀相对值的变化，此值也会变化，n_s大则一般上冠下环环量差值也大。

图12　最优工况Ⅲ断面环量分布

5.5　关于轴面速度
　　图13绘出了最优工况Ⅲ断面轴面速度V_m(周向平均)的分布，同时绘出了按一元假设及二元(ω_u=0)假设计算得到的轴面速度分布。由图看出测量得到的曲线与它们均不符合，就其变化趋势看介于一元二元之间，与二元假设更相近些，但其值较按二元假设计算值大，这与文献［1］测试结果即轴面速度分布介于一元与二元假设之间的结论有些差别。这是因为在按一元或二元假设计算轴面速度时，未考虑导叶及转轮叶片对轴面流动的影响，而不同的水轮机对于轴面速度会有不同的影响，因此造成了测量结果也会有所差异。由于一元及二元假设不能较准确地计算出轴面速度的分布，在转轮设计采用正向题计算来确定轴面速度即采用正反问题迭代方法设计转轮将更合理些。

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