随着水电站装机容量、发电水头的不断增大,水电站厂房的安全稳定运行面临着新的挑战。对于充水保压蜗壳,钢蜗壳与外围混凝土之间存在初始保压间隙,这种间隙伴随着运行期水头的不同而发生变化,直接影响蜗壳内水压力的外传机制,从而对蜗壳结构的承载特性和结构性能起着至关重要的作用。此外,在水电站运行期间,由于发电水头、流量及导叶开度的变化,水轮机不可避免地会偏离最优工况,导致流道内出现脱流、空化以及涡带等现象,进而产生压力脉动,引起水电站厂房结构和机组的振动。而在当前国际能源结构调整的背景下,风电、光伏等新能源与核电并网运行,水电作为调节性电源需要承担更多的调峰调频任务,水电站的运行条件也越来越复杂,振动问题也越来越引起学术界和工程界的关注。针对上述问题,本文结合实际工程对以下几个方面开展研究,并取得了相应的成果:(1)为研究充水保压蜗壳间隙演变机理,采用了一种新的充水保压蜗壳全过程仿真模拟方法,通过某充水保压蜗壳模型试验成果从间隙值和接触状态、钢蜗壳与钢筋应力、机墩座环位移、混凝土开裂损伤等方面对该模拟方法进行了全面的验证,并在此基础上从保压间隙的时空分布规律、保压间隙对外围混凝土的影响、座环水平面不平衡力等方面对充水保压蜗壳的接触传力特性进行了分析。结果表明,充水保压蜗壳全过程模拟方法计算结果与试验结果规律一致,数值基本吻合,体现了该方法的合理性和准确性,并避免了以往人为修正混凝土内边界可能会出现的混凝土内表面穿透钢蜗壳表面的现象;卸压后形成的保压间隙较大的区域主要分布在钢蜗壳腰部和顶部,内水压力未达到保压水头时,钢蜗壳进口断面外侧区域、鼻端上部区域率先闭合,达到保压水头时蜗壳进口拐弯区域内侧和蜗壳末端外侧尚未闭合;蜗壳进口边界形式为伸缩节时,设置止推环有利于延缓保压间隙在进口外侧、45°方向外侧和蜗壳鼻端内侧区域的闭合时间,能明显改善保压间隙的闭合特性,钢蜗壳进口与钢管直连的边界形式也能起到与止推环类似的效果。(2)为研究水电站厂房水力振源特性,基于计算流体动力学理论,采用RNG k-?模型对混流式水轮机蜗壳、导叶、转轮、尾水管全流道内水体在不同水头工况下的流动特性进行了计算分析。基于水轮机三维非定常湍流计算结果,对转轮部件上的脉动压力进行了积分计算,给出了解析计算和数值模拟相结合的轴向水推力脉动特性计算方法。结果表明,蜗壳区域水流比较顺畅,该区域的脉动压力通常是无叶区、转轮区甚至尾水管区域产生的脉动压力向上游传播产生的;水轮机流动系统中转动部件与静止部件之间的动静干涉会导致脉动压力中出现叶片频率或其倍频;整个流道内压力脉动程度较大的区域主要集中在尾水管直锥段以及弯肘段,频率主要为0.83Hz和1.02Hz,即1/5倍和1/4倍转频,受尾水管低频涡带向上游传播影响,无叶区和蜗壳区也出现了低频脉动压力;轴向水推力是机组垂直动荷载的重要部分,具有明显的脉动特性,转轮上冠与顶盖、转轮下环与基础环之间的空腔压力是形成轴向水推力的主要作用。(3)过去,水轮机转轮及流道设计与厂房结构土建设计一般都是分开进行的,没有很好地结合在一起。为了将水轮机流场计算和厂房结构计算相结合,以期实现基于流固耦合的水电站厂房结构流激振动特性分析,探讨并推导了C~2紧支径向基函数插值耦合矩阵,并基于此建立了水电站厂房全流道-结构流固耦合分析模型,以此来分析或预测水电站厂房水力振动。结果表明,C~2紧支径向基函数无论是在流体向结构传递数据,还是在结构向流体传递数据过程中均体现出了明显的精度优势;以C~2紧支径向基函数插值法为基础建立的流固耦合界面数据传递模型从理念上和实际效果上均适用于大规模复杂流固耦合的计算,其对网格依赖度低的特点可以充分结合现有的水轮机流场计算和厂房结构计算从而实现流体与结构的耦合;最小水头工况下由于导叶开度相对较大,水流进入转轮区域时的相对速度与转轮叶片骨线形成一定的冲角,脉动压力相比于最大水头工况和设计水头工况要大,厂房结构振动响应也相对较大。(4)为研究水电站厂房水力振动传导机制,对振动传递路径进行了分析,并沿着蜗壳/尾水管-厂房、转轮-轴系-机架基础-厂房这两条振动传递路径对厂房振动进行了计算分析,最后分析了钢蜗壳在水力振动作用下的金属疲劳。结果表明,轴向水推力主要引起铅直向的振动,特别是机墩处的振动,蜗壳/尾水管-厂房这条振动传递路径主要引起厂房结构的整体振动,其产生的振动响应是最直接也是最明显的,是厂房振动的主要诱因;从预测的疲劳寿命数量级看,钢蜗壳在静水压力循环荷载和脉动压力循环荷载作用下发生疲劳破坏的可能性较低。