近年来随着我国水电事业的快速发展,小水电占到了我国水电装机规模及发电量的31%左右,其中灯泡贯流式水轮机由于结构紧凑、效率高等特点而被广泛采用,在地势平坦、水量丰富的地方较为适合建立该类水电站。灯泡贯流式水轮机桨叶与导叶在发电工况下均可调节,由于其运行水头低,流量大的特点,运行中桨叶和导叶的协联关系对机组的运行效率及稳定性影响较大,在实际运行过程中常常不能按最优协联关系运行,导致水轮机效率降低、稳定性变差、噪声增加、甚至达不到额定出力。为此,本论文针对这一系列难题,从三个方面进行了水轮机协联运行的研究。首先,从水轮机水力设计角度出发,进行了基于协联关系的模型试验研究,从定桨叶角度条件下的能量试验开始,再通过数据分析和相似性换算,最终得到原型水轮机的协联关系,研究了协联运行工况下水轮机的压力脉动特性,通过模型试验获得了能够精准反映水轮机性能的数据,是进行后面一系列研究的基础。计算流体力学仿真模拟能够比较准确地分析和了解水轮机内部流动特性。详细探讨了湍流模型建立和网格划分技术,将水轮机引水段、导叶、转轮、尾水管进行全流道计算,通过对协联工况进行计算,发现贯流式水轮机水力损失主要集中在转轮和尾水管上,掌握了优化机组性能的关键。通过原型水轮机试验手段验证水轮机运行协联关系,在电站现场进行了相对效率和压力脉动试验。将现场试验结果与模型试验数据和电站长期运行数据对比分析,发现了协联关系的差异性,协联关系的差异可能由多种因素引起,包括模型试验的相似性偏差、原型机制造及安装偏差等。本文提出了改进方法,使用合理的技术方案对原型水轮机协联关系进行了优化,提高了水轮机效率和出力并有效改善了机组运行稳定性。