近年来,国内外一些水电站混流式水轮机机组在运行过程中,其转轮叶片产生裂纹,导致机组振动加剧,严重危及到机组的运行安全,水牛家电站水轮机就是其中之一。由于水轮机的实际运行情况复杂,水轮机转轮与流场的耦合作用是导致叶片产生疲劳断裂、动力失稳的重要因素之一。因此,研究水轮机转轮流固耦合特性对深入了解水轮机转轮叶片振动机理、预测叶片发生裂纹位置、避免水力共振、确保水牛家电站机组安全稳定运行具有重要意义。本文对水牛家电站混流式水轮机在典型负荷工况下的流场分布及流固耦合特性进行数值模拟分析,为水轮机过流部件的优化设计、转轮叶片缺陷处理提供理论参考,其主要研究工作如下:(1)根据水牛家电站水轮机组实际运行工况,选取最小水头、额定水头与最大水头分别在40%、70%、100%负荷下的9个工况,对水轮机进行内流场及流固耦合分析。(2)根据水轮机过流部件设计参数,利用UG软件对水轮机过流部件进行建模,在ANSYS软件中完成各过流部件网格划分。(3)采用标准k-ε湍流模型对各工况进行定常流计算,分析不同水头不同负荷工况下的水轮机内部流动特性。(4)基于定常流计算结果,利用ANSYS软件计算分析水轮机转轮的流固耦合特性。(5)为了更好地反映水轮机在实际运行工况下内部真实的流动情况,对水轮机全流道进行了瞬态计算。对转轮内部最大变形量、应力、应变等进行了详细分析,预测了转轮叶片发生裂纹位置等情况。通过研究得到以下主要成果:(1)通过定常计算,分析得到水轮机蜗壳、尾水管内部流动相对均匀;在转轮叶片背面进口位置附近存在低压区,在此位置易发生空化现象。(2)通过流固耦合计算,得到水轮机六阶振动频率,将其与自振频率等进行对比可知水轮机关键过流部件不会发生共振现象,这说明水轮机各过流部件结构设计比较可靠。转轮各阶振型分析表明:转轮的振动形式在低阶主要表现为转轮左右摆动伴随叶片部分区域轻微的振动变形;而在高阶模态下,振动形式主要表现为转轮整体的扭曲变形,转轮由圆形逐渐变为扁圆。(3)通过瞬态计算,对水轮机转轮在最小水头40%负荷工况下总变形量、等效应变、等效应力等进行详细分析,发现在转轮叶片与上冠、下环连接处易发生变形和断裂。这与电站运行时转轮发生断裂位置相同。