抽水蓄能机组作为大规模储能转化设备,在电网担任填谷消峰、调频调峰等作用。随着能源结构调整,电网中的太阳能、风能、核能的占有比例快速增加,为了促进清洁能源的消纳,抽水蓄能机组得到了快速发展。作为抽水蓄能机组的核心部件,水泵水轮机具有两个特有的不稳定区域,一个是水轮机工况S区,另一个是水泵工况驼峰区,严重制约抽水蓄能机组的快速发展,因此对于水泵水轮机特有不稳定特性研究具有重要意义。水泵水轮机出力与水头、流量成正比,水头越高,相同出力的情况下,抽水蓄能机组水头越高,流量越小,水泵水轮机和输水管路尺寸减小,相应所需上下游水库的容积可以减少,因此水泵水轮机向着高水头发展,据调研水泵水轮机最大扬程每隔10年就上升一个台阶。水泵水轮机制造难度系数通常采用水轮机出力和水泵最大扬程的乘积来表示。随着水头的增大,水泵水轮机的制造难度大幅度增加,同时水泵水轮机的S区、驼峰区和高幅值压力脉动等不稳定性问题成为了关键技术问题。本文通过试验研究和理论分析对不同水头段水泵水轮机水轮机工况S特性进行了深入的研究,具体如下:首先,通过对国内外水泵水轮机S特性试验、数值模拟、理论分析以及优化设计等研究调研,总结归纳目前S特性存在的问题,本文提出对不同水头段水泵水轮机S特性研究,包括S性能曲线、压力脉动形成机理以及传播规律;其次,本文主要采用试验手段对不同段水泵水轮机S不稳定特性进行分析,因此高精度、高可靠性试验台是本文研究的基础,本文对试验台的组成、工作原理、性能参数、主要功能进行了详细的介绍;再次,选取不同额定水头水泵水轮机模型,进行S特性分析,获得不同水头段水泵水轮机S特性曲线,通过稳态和瞬态稳定性判据,结果表明对于同一转轮大活动导叶开口S特性明显,随着水头的升高,S特性不稳定性变强;从次,对同一转轮不同活动开口S区进行压力脉动试验,试验结果表明S区最大幅值压力脉动出现下飞逸工况附近小正流量区域,通过时频分析,该高幅值压力脉来源无叶区动静干涉作用。最后,针对不同水头段水泵水轮机S区压力脉动进行对比分析,分析结果表明,随着水头段的升高,压力脉动幅值增大,主要是无叶区。此外,通过研究,表明长短叶片形式转轮可以大幅度降低无叶区内动静干涉引起的压力脉动。