水轮发电机组时常会承载着电网的调峰调频任务,机组出力的频繁改变导致水轮机难免地会在非最优工况下运行。当混流式水轮机运行在非最优的工况点时,流道进口处的水流与叶片之间无法满足零冲角入流,水流在叶片前缘头部区域脱流后形成叶道涡。叶道涡的出现会导致转轮叶片受力不均,将会造成机组的异常噪声与振动,极大地影响水轮发电机组的安全高效稳定运行。本文通过PIV试验对低比转速混流式水轮机偏工况下运行时的内部流动状态进行测量,利用本征正交分解原理对试验数据进行分析处理,结合NUMECA软件对水轮机内部流动进行数值模拟计算。本文研究的主要内容和结论如下:1、对模型水轮机进行局部区域可视化处理,根据水轮机的结构搭建PIV试验系统,对水轮机转轮进口处1/2叶高处平面的截面进行测量。A1-404工况与A2-404工况的绝对速度流线较为均匀,不同时刻的流场结构并无明显变化;A1-606工况和A2-606工况的绝对速度流场中均出现了不同尺度大小的旋涡,流动状态并不稳定。2、利用速度三角形分解绝对速度,对分解得到的相对速度的速度大小与流线结构进行分析。A1-404工况相对速度流线接近圆弧线,容易形成旋涡;A2-404工况的水流以接近零冲角状态流入,并未出现明显旋涡结构。A1-606工况与A2-606工况的相对速度流场中出现明显的大尺度旋涡结构,流动状态比较紊乱。3、基于本征正交分解原理,对相对速度流场进行降维分析,提取出原始输入流场数据中的主要流动模态结构。4、对模型水轮机的蜗壳、导水机构、转轮及尾水管建立三维模型和结构化网格的划分,对上述计算域进行全流道的三维定常湍流流动数值模拟计算,分析叶片的表面压力云图、不同叶高流面的流速与流线结构。结果表明叶道涡的分布位置与进口水流的冲角有关。