混流式水泵水轮机的全特性曲线普遍存在S形区域,机组在水轮机工况启动过程中进入S区易发生流量震荡,造成并网困难,严重影响电站的安全运行。本文将模型试验与数值计算相结合,分别以最优开度线和小开度线情况分析水泵水轮机特性曲线形成S形的水动力学机理。以模型水泵水轮机为研究对象,对特性曲线进行了详细分析。结合多套水泵水轮机模型特性曲线发现,在第一象限发生S形弯折的”拐点”与其飞逸点并不一定重合。本文重点对S形区域极偏工况的”拐点”与附近工况点进行详细的三维流动特性分析。首先对最优开度线进行全流道多工况点的三维数值模拟,选取包括S区工况在内的五个点进行非定常数值计算。最优工况下机组整体流道内流动顺畅;”拐点”工况无叶区的流速沿周向分布为周期性的流入和流出,转轮叶片间出现明显的流动分离现象和大尺度漩涡流,阻塞了主流道,水流对转轮几乎不做功。在小流量的制动工况,无叶区内存在沿转轮周向流动的封闭“水环”,阻碍了水流的流进或流出,转轮叶片间充满了多个漩涡,阻碍了叶轮的运动,造成转轮不能在更高的转速下维持小流量状态的运行,在最优开度特性曲线上表现为在转折点开始发生S形的弯折。不同步导叶(MGV)能有效改善水泵水轮机的S特性,本文对比分析了有/无MGV时有/无S曲线的内流变化规律。选取两条小导叶开度线,MGV的同步导叶开度与其一相同,MGV整体开度与另一小导叶开度相同。对三条线上相似位置的6个极偏工况点进行非定常计算,分别为”拐点”、小流量点和反水泵工况点。计算发现小开度时内部流动较最优开度时复杂得多,流道内有明显涡流,导叶与转轮入口的来流角更大;采用MGV后,特性曲线的S形现象得到明显改善,在应发生转折的“拐点”工况,导叶间的漩涡流得到增强,无叶区内的高速环流在不同步导叶附近被局部破坏,使进入转轮内的水流增多,转轮内的涡流得到改善,提高了转轮在“拐点”工况的转速。且在小流量和反水泵工况也能大范围地破坏无叶区内的封闭环流,水流能够冲击转轮做功,维持转轮在该小流量工况下的高速运动。在特性曲线上表现为单位转速在拐点和小流量点均有明显的增大,且随着流量的减小,增加的趋势更明显,从而改善了S特性。