2　结果与分析

2.1　水轮机能量特性研究分析

选取导叶角度-5°、-3°、0°、+3°、+5°五个，选取叶片角度-4°、-2°、0°、+2°、+4°五个，优化设计出25种方案，通过数值模拟仿真，可得出在各个方案下的水轮机效率，见表1。

可得，效率与导叶角度及转轮叶片角度的变化关系，如图2和图3所示。

由图2和图3可知，在额定工况下，对于确定的某一转轮角度，随着导叶角度的增大，水轮机效率先减小后增大，但效率变化范围很小；叶片角度的改变对水轮机效率影响较大，在某一角度下，水轮机达到高效率点，并基本保持稳定。

2.2　水轮机内部流场分析

对效率较好的4种方案进行编号，见表2。

对4种方案进一步进行内部流场分析，如图4所示

由图4可知，4种方案进口流道流态稳定，转轮内部流速随着导叶角度的增大，流速增大，流量变大，但是效率变化不大。方案一，出口流道呈现径向涡旋；对于方案二、方案三，出口流道的径向涡旋得到明显改善；而方案四，出口流道流线顺直，流态稳定。对4种方案叶片应力进行分析，如图5所示。

由图5可知，当导叶角度逐渐增大时，流量增大，水轮机的过流能增强，但是叶片上所受的应力变化不大，应力都集中在叶尖处，从叶尖处开始，顺着水流的方向，应力逐渐降低。综上分析，针对电站选择方案时，应综合考虑能量及流动特性来确定。以本文水轮机模型为例，选择方案四时，效率为85.86%，与最高效率点86.41%相差不足1%，但是此时过流能力较强，能应对运行过程中不稳定的情况，方案四为较优选择。

2.3　水轮机内部压力脉动

从导叶区开始到出口流道总共截取4个截面，如图6所示，截面1在进水流道与导叶区之间，截面2在导叶区与转轮区之间，截面3在转轮区与出口流道之间，截面4在出水流道中部，每个截面上选取4个监测点，共选取16个监测点进行分析，如图6所示。

选择每个截面上脉动幅值最大的点作为截面的特征点进行分析，可得额定工况下，各截面特征点的压力脉动频域图，如图7所示。

由图7可知，在额定工况下，转轮转动频率为8.5Hz，截面1上监测点的第一主频率为26.7Hz，是转轮转动频率的3.1倍，次频为48.5Hz；截面2上监测点的脉动频率为25Hz，接近转轮转动频率的2.9倍，次频为48.5Hz；截面3上监测点的脉动频率为25Hz，接近转轮转动频率的2.9倍，次频为48.2Hz；截面4上监测点的脉动频率为48.5Hz，接近转轮转动频率的5.67倍。从进水流道到转轮区，脉动频率基本稳定，出水流道的脉动频率增加。

根据非定常计算的结果，对出水流道的流态进行分析，如图8所示。

从图8中可知，在出口流道前部出现轴向涡旋，在尾部有部分紊流，涡旋和紊流可能导致出口流道脉动频率的增加，同时由尾水管部分产生的压力脉动48.5Hz由尾水管到转轮区、导叶区向上游传递。