随着新能源的发展和电力系统调峰调频的需要,我国的抽水蓄能电站有向高水头和大容量发展的趋势。目前我国高水头水泵水轮机转轮设计以200-500m水头段为主,600m及以上水头段的转轮自主设计在国内还不成熟,其中空化问题与振动问题是制约我国高水头水泵水轮机发展的两个重要因素。针对这些问题,本文旨在找出适合高水头水泵水轮机的空化与振动研究方法和转轮设计理念,为促进高水头抽水蓄能电站的发展提供技术支持。取得的研究成果具有重要的工程应用价值,相关研究成果如下:(1)基于正压规律构建混合流体的状态方程,结合均质平衡流模型,建立考虑可压缩性的空化模型,采用压力修正方程解决计算中断问题,并进行模型水泵水轮机空化试验验证。在此基础上,研究水的可压缩性对高水头水泵水轮机性能预估的影响。结果表明,不考虑可压缩性的空化模拟方法得出的叶片表面空化形态与试验结果相差较大,并且空化数越低,差异越大。而考虑可压缩性的空化模拟方法能够比较准确地预测水泵水轮机的能量特性和转轮叶片表面的空化形态,效率随空化数的变化规律与模型空化试验结果相吻合。(2)对比考虑可压缩性的模拟方法和不考虑可压缩性的模拟方法计算水泵水轮机“S”特性的差异。结果表明,水的可压缩性对水轮机特殊运行工况(飞逸工况、制动工况及反水泵工况)的内部流动特性的模拟有很大影响。考虑可压缩性得出的高水头水泵水轮机“S”特性曲线的误差小于不考虑可压缩性得出的“S”特性曲线的误差,并且考虑可压缩性后能够捕捉到更丰富的压力脉动特性。(3)通过考虑可压缩性研究高水头水泵水轮机不同工况下的流动特征,揭示了水流阻滞的形成机理、产生的工况条件以及引起的压力场变化规律,探讨了水轮机工况转轮不同叶片间的水流阻滞现象和水泵工况挡水环现象及其引起的压力脉动的频率特性,阐明了水轮机70%以下出力工况振动问题严重、水轮机空载工况不稳定和水泵高扬程区不稳定的根本原因。(4)分析了转轮几何参数对水泵水轮机空化性能及振动特性的影响,建立了转轮几何参数与性能参数的映射关系,并将可压缩流动的求解与转轮水力优化策略相结合,编制了考虑可压缩性的高水头水泵水轮机转轮设计与优化程序,寻求合理的高低压边安放角及叶片表面负荷分配,解决了水轮机转轮设计与水泵转轮设计中的多重矛盾问题,达到了抽水与发电的平衡,设计出了综合性能较优的高水头水泵水轮机转轮。