高水头水泵水轮机在水轮机工况小开度区运行时,水流在无叶区的压力脉动激增、转轮进出口产生流动分离、尾水管出现涡流区,严重影响了机组的安全稳定运行。因此,详细研究水泵水轮机在水轮机工况小开度区运行时的内部异常流动特征,提出改善其运行性能的方法对电站以及电网系统的安全、稳定、经济运行具有重要的工程应用价值。本文以高水头抽水蓄能电站水泵水轮机为研究对象,将水体视为弱可压缩流体,对水轮机工况小开度区的流动特性进行系统数值分析,并通过转轮优化设计和顶盖补气两种方式改善机组在小开度区运行的稳定性。主要研究成果如下:(1)机组在水轮机工况小开度区运行时,在活动导叶和转轮之间的无叶区存在阻塞流道的环状流动区,转轮叶道内会产生流动分离,均可以使机组产生振动。通过对比考虑和不考虑水体的弱可压缩性的计算结果发现,考虑水体的弱可压缩性时,转轮与尾水管内水头损失增大,机组效率有小幅降低;转轮与活动导叶之间的无叶区出现流动阻塞:叶片压力面流动分离以及尾水管出现的螺旋涡带结构更剧烈,压力脉动幅值更大。因此,在研究高水头水泵水轮机的内部流动时,有必要考虑水体的弱可压缩性。(2)通过采用多工况多目标优化方法对高水头水泵水轮机转轮进行优化设计。优化后转轮与活动导叶之间无叶区的涡流面积减小,转轮叶道间流动分离现象明显改善,尾水管涡流强度减小。同时,水泵工况的性能也有明显的提升,转轮内最低压力的提高。可见,叶片的优化设计很好的改善了小流量工况下转轮内不良流态和空化性能。(3)对机组采用顶盖补气方法改善水轮机工况小开度区运行性能。通过对比不同补气量的补气效果,结果表明:当补气量为0.3%时效果最好,水轮机工况水力效率有所提升,在转轮出口处中心位置的压力变化梯度变小。无叶区出现的环状涡流以及转轮流道内的流动分离得到明显的改善,流道内流线更为流畅,导叶域压力脉动幅值明显降低。