4.1　导水机构及导叶相对高度

导水机构的水力优化设计主要是要优化固定导叶、活动导叶的形状和相互匹配关系，使导水机构在改变工况时对来流有很好的适应性，从而提高整个水轮机的平均效率。

导叶相对高度b0/D1的选择对于保证水轮机各种水力性能非常重要，但同时b0/D1的选择又必须考虑水轮机转轮、活动导叶和固定导叶的机械强度特性以及机组的尺寸限制和制造成本。一般来说，水轮机水头愈高，b0/D1愈小。然而，近年来，由于许多先进可靠的机械强度计算软件的采用和大量高强度新材料的使用，在相同最大水头下，b0/D1有逐渐增大的趋势。同时，b0/D1的选择对水轮机水力稳定性也有很大影响，国内外许多电站运行表明，合理的b0/D1对减小尾水管压力脉动、减小转轮内的二次流动和由流道旋涡引起的中高频压力脉动均很有效。

近年来随着水轮机比转速的飞速提高，水轮机导叶高度提高了很多，如二滩电站Hmax=189m，水轮机导叶高度b0=0.234D1。过去，这个水头段导叶高度只用到b0=0.20D1；目前，天生桥Ⅰ级Hmax=143m，水轮机导叶高度b0=0.267D1；大古力Ⅲ级出力由600MW提高到700MW，导叶高度b0从0.25D提高到0.296D。同时，水轮机的振动问题也开始引起人们的普遍关注。

从苏联水轮机新型谱中也可以看出，苏联水轮机使用的流量参数虽然比较高，但是导叶高度都普遍偏低，然而其水轮机的振动问题却似乎并不普遍。这种现象在水轮机振动分析中应该引起关注。初步分析认为：导叶高度对转轮的进口面积有很大影响，并将直接影响转轮流道的过流断面面积变化规律，这种变化规律又直接影响了转轮叶片的速度和压力分布。可以肯定，转轮叶片的合理的速度和压力分布将有利于提高水轮机的稳定性。另外，低导叶高度机组的相对刚度比较好，对提高水轮机的稳定性也是有利的。

我国哈尔滨电机厂在天生桥Ⅱ级水电站使用了两种通道的转轮：1～4号机的导叶高度b0=0.16D1，5～6号机的导叶高度b0=0.18D1，两种导叶高度的水轮机在模型试验中的压力脉动数值有较大的差别；1～4号机尾水管压力脉动数值在所有运行工况小于2.5%，而5～6号机的尾水管压力脉动数值在所有运行工况都小于4.5%。

水轮机振动是一种很复杂的物理现象，其影响因素也是多种多样的，天生桥Ⅱ级水电站两种转轮的通道形状还有所不同，所以上述“导叶高度不同、压力脉动幅值不同”的观点目前还只能作为一种现象来进行研究，还不能说明导叶高度与水轮机振动有直接关系。

一般，从提高比转速和转轮能量角度，希望采用较高的导叶高度，但从水轮机性能综合考虑，还应以水头及转轮流道的形状和合理的面积变化来考虑导叶高度。可以说，合理的导叶高度应该是有利于水轮机减振的。

通过对多种导叶相对高度b0/D1的转轮水力设计方案的CFD分析，在水力综合性能相当的前提条件下，从保证水轮机强度偏安全的角度出发，最终确定向家坝水轮机导叶相对高度为b0/D1=0.285。