中国作为当今世界的电力大国,发电总量居世界第一。其火电和水电占据着主导地位,随着中国电力产业的蓬勃发展,风电和核电也在陆续建成投用,这更加的提高了中国的发电总量。为了满足电力系统的高效运行,抽水蓄能机组的发展成了当今电力能源储存和电力系统调控的主流之一。作为抽水蓄能电站的核心部件水泵水轮机,具有水轮机和水泵的双重功能,在用电低峰期时,充当水泵功能把多余的电能转化为水的势能,在用电高峰期时,充当水轮机的作用进行发电。水泵水轮机作为能量转化的核心部件,不仅要求安全、稳定运行,而且还需要较高的效率。但是在水泵水轮机实际运行当中会有“S”特性产生,这种特性会带来许多不稳定的问题。针对“S”特性的改善机理,本课题研究的内容和成果如下。1.建立投入非同步导叶的水泵水轮机模型,进行网格划分,开展全流场三维数值计算,探讨投入非同步导叶后转轮前无叶区域的内部流动结构、流场时空演变机理,分析投入非同步导叶对“S”特性产生的影响。结果表明:非同步导叶的投入对水泵水轮机中的“S”特性起到了很好的改善作用,投入非同步导叶后其活动导叶周围的流场状态发生了极大的变化,转轮前无叶区域的高速水环被消弱了,当非同步导叶的布置方式和开度一定时,随着同步导叶开度的增大,无叶区的湍动能越来越明显,这说明同步导叶的开度增大后导致了无叶区产生了很大的能量耗散。并且同步导叶开度增大后转轮径向力合力曲线的闭合度也随之增大。从转轮入口的无叶区压力脉动看,同步导叶开度变大时,高频脉动有一定的降低。2.设定不同的导叶翼型方案,进行活动导叶翼型设计,建立不投入非同步导叶而改变导叶翼型的水泵水轮机模型,开展全流场三维数值计算,研究导叶翼型改变对水泵水轮机内部流动的影响,分析流场结构及时空演化机理。参考投入非同步导叶改善“S”特性的机理,优化导叶翼型结构。结果表明:导叶翼型改变后也能对水泵水轮机的“S”特性起到一定的改善作用,这种对“S”特性的改善和投入非同步导叶后对“S”特性的改善有一些相同之处。但是改变导叶翼型对“S”特性的改变有好有坏。通过对模拟结果的外特性曲线和内部流场分析,找寻出最优导叶翼型。3.针对得到的最优翼型,在特定工况点下进行非定常数值计算。结果表明:最优翼型下导叶后转轮前无叶区的高速水环明显削弱,即对“S”特性有了较好的改善。通过分析S1流面的压力发现高压区主要分布在活动导叶区域,因为导叶开度一定时部分流体未能及时的流入转轮区域,造成活动导叶局部压力升高;对转轮和活动导叶区域的湍动能分析发现,无叶区和转轮内部都发生了一定的能量损失,但损失相较优化前有了较大减弱,对无叶区进行压力脉动监测,发现压力脉动的变化趋势受转轮转频的影响,压力变化在一定情况下趋于稳定;通过对尾水管部位进行相应的分析得出尾水管涡的产生及能量损失主要集中在弯肘部位,入口段附近的压力脉动受到转轮转频的影响,进口段壁面处也有一些高压区,压力脉动从尾水管入口到向下延伸的过程中幅值有一定的增加趋势;分析翼型优化前后不同工况点的效率对比图,表明翼型优化对机组效率影响较小,故得出翼型优化在保证机组性能的前提下可以很好的改善“S”特性。