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水 利 学 报

２０２３年 ７月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ７期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０７ － ０７９４ － １２

混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

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李颜雁 ，孙龙刚 ，郭鹏程 １，２ ，范文睿 ，徐卓飞 １
（１．西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 ７１００４８；
２．西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点试验室，陕西 西安 ７１００４８）

摘要：水轮机经历飞逸过程时，其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞
逸过程的不稳定流动特性，本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象，对其由额定转速过渡至飞逸转速
的瞬态流动过程开展研究，数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明：飞逸过程
中，转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离，诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构，且随转速
升高，涡漩体积逐渐增大，对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动，频率
范围在 ０．５倍叶频以下，且对应的转轮域压力幅值最高。进一步，本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特
性，发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段，且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量
的 ９０％。此外，湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项，表明不稳定飞逸过程中的能
量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应，表明转轮内流动分离诱导的复
杂涡漩结构是引起能量耗散的根源，为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。
关键词：混流式水轮机；飞逸；瞬态流动；涡漩；能量耗散
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｖ ７ ３ ４ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３００７９
文献标识码：Ａ

１ 引言

水电作为一种清洁可再生能源，近年来在实现 “碳达峰、碳中和” 目标方面发挥着越来越重要的
作用 ［１ － ２］ ，而作为目前水电机组中应用最广的混流式水轮机，在构建新型电力系统目标中必须要拓宽
运行范围，频繁地进行工况转换，以保障电力系统安全稳定运行 ［３ － ４］ 。甩负荷过程是水轮机经历最为
频繁的工况转换之一，当水轮机发生甩负荷时，由于调速器系统发生故障失灵，使得活动导叶不能关
闭，导致机组转速迅速上升，直至飞逸转速 ［５ － ６］ 。该运行过程中显著降低了水轮机过流部件对运行参
数的适应性，而在达到飞逸转速的过程中，过流部件最终耗散水轮机水头所对应的所有能量，极易诱
发水轮机内部产生强烈的流动分离、不稳定涡漩结构及高振幅压力脉动等异常现象，严重时会造成机
组的振动，威胁机组的安全稳定运行 ［７］ 。如我国汤河水电站 ２号机组曾因电气故障进入飞逸状态，转
速迅速升高使得水轮机转轮产生大幅度的摆动，最终造成调速器内的飞摆电机钢带断裂 ［８］ 。飞逸过程
是极力避免出现的不利工况，因此在水轮机设计阶段飞逸转速的确定是一项极其重要的内容。深入分
析水轮机飞逸过程外特性参数及内部流态演化特征，揭示不稳定水力振动诱发机制及能量耗散特性，
对保障水轮机组的安全、高效运行具有重要意义。
目前，国内外学者已开展水轮机飞逸不稳定流动的相关研究。Ｔｒｉｖｅｄｉ等 ［９ － １０］ 对高水头混流式水轮

收稿日期：２０２３ － ０２ － １４；网络首发日期：２０２３ － ０７ － １７
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ２?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０７１４．１３２２．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１８３９０１０，５２１０９１０９）；中国博士后科学基金项目（２０２１Ｍ７０２６４１）；陕西省教育厅青年创新团
队科研计划项目（２２ＪＰ０５７）；陕西高校青年创新团队（２０２０ － ２９）
作者简介：李颜雁（ １９９６ － ），博士生，主要从事流体机械流动理论研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｉｙｙ＿ｘｕｔ＠１６３．ｃｏｍ
通信作者：郭鹏程（１９７５ － ），博士，教授，主要从事流体机械流体动力学及稳定性控制研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｇｕｏｙｉｃｈｅｎｇ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
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