西南地区各流域多以高水头水电站建设为主,水力因素诱发机组运行稳定性问题格外突出。本文以某高水头水电站为例,采用原型试验、三维数值模拟和一三维耦合模拟方法对不同水头、流量工况下的机组运行水力特性进行分析,研究成果对高水头水电站水轮机的水力特性安全研究具有一定的指导意义。本文的主要研究内容及成果如下。(1)基于雅砻江某水电站机组展开原型试验,试验数据覆盖155m到235m的6个水头工况,相对流量范围从0.2到1。基于蜗壳末端和尾水管进口脉压监测数据进行分析,分析结果显示:水轮机在155m、165m和185m的低水头工况运行时,压力脉动更剧烈,蜗壳和尾水管相对脉动随流量增加呈现先增大后降低趋势,在相对流量靠近0.6时,最大相对幅值达5%;在205m、225m和235m的水头下运行,蜗壳相对脉压随流量增加而增加,最大相对幅值为1%,尾水管相对脉压随流量增加而降低,最大相对幅值为3%。(2)运用Fluent有限元软件对原型水轮机进行三维数值模拟,研究工况包含155m、165m和185m三种运行水头,以及导叶开度100mm、140mm、220mm、310mm和360mm下的五种流量。提取蜗壳、导叶和尾水管的12个监测点脉压数据进行分析。定水头变导叶开度研究显示:小导叶开度对称监测点因偏心涡带的旋转作用,压力脉动结果存在相位差,频率为0.525倍转频,最大脉动点出现在直锥段下游,脉压绝对值在70kPa;导叶开度200mm以上,涡带不存在偏心,对称测点脉动相位差消失,脉动频率为0.8倍转频。定导叶开度变水头研究显示:水轮机在导叶开度140mm附近运行不稳定,且不同位置测点对水头敏感程度不同,用(35)H/H进行表示。尾水管区域(35)H/H=4%~6%,导叶区域(35)H/H=0.9%~1%,则在不稳定区域运行,尾水管脉动受水头影响更大。(3)结合VB语言和Fluent计算软件,提出了一套一维-三维耦合数值模拟方法,并对水头165m、导叶开度140mm工况进行模拟分析和应用。因为考虑进机前压力管道的影响,一-三维耦合数值模拟结果和纯三维模拟结果相比,在频率上接近,压力数值要高100kPa,更加接近实测值。分析脉压幅频特性得到低水头小开度水轮机运行特征:尾水管直锥段形成的低压区随转轮转动发生旋转,与管壁产生撞击,形成的压力脉动在尾水管内传播,频率基本保持不变,但能量有所降低,在机组内的传递能量较小。