为了拓展抽水蓄能机组的运行范围,保证部分出力工况与过渡过程工况下机组的安全与稳定,有必要研究水泵水轮机在发电模式非设计工况下的水动力学特性。本文通过原型实验观测、模型试验研究、水泵水轮机内流场模拟、水泵水轮机转轮设计等方法,尝试建立水力系统稳定性机理及水泵水轮机水动力学特征的理解,并初步探索了转轮几何设计与S特性曲线形态的联系,得到了如下结果:（1）分析了原型水泵水轮机过渡过程中（紧急事故甩负荷、水泵断电）压力脉动幅值大、频率组成范围广的原因,指出了其影响因素,并得到了在水轮机模式下无叶区叶片转动频率幅值与单位转速的指数关系。以一个300MW容量的中等比转速原型水泵水轮机为例,明确了单机额定工况下的甩负荷及水泵断电过渡过程中蜗壳、尾水管、无叶区等测点压力脉动的主要成分及过渡过程中的强度变化。指出了水轮机模式下不同初始出力对蜗壳、尾水管、无叶区等测点压力脉动的时域和频域特征的影响。分析了一洞双机布置下两台机并列运行状态对蜗壳、尾水管、无叶区等测点压力脉动的时域和频域特征的影响,并指出并列运行时无叶区动静干涉强度在稳态和甩负荷过渡过程中均显著加强。指出了不同采样频率对同一过渡过程中时间均值压力及压力脉动的影响。发现了机组甩负荷后导叶开度变化缓慢的时间段内叶片转动频率9fn瞬时幅值与单位转速（反映斯特劳哈尔数）存在指数函数关系。（2）详细地研究了模型水泵水轮机在多种过渡过程下外特性参数的变化规律以及无叶区压力脉动的特征,实现了一种可用于动态探索S特性曲线的新式过渡过程,并进一步探索了叶片转动频率幅值与单位转速的指数关系的适用范围。基于武汉大学抽水蓄能试验台,对一等长9叶片基准转轮开展了水泵和水轮机工况下稳态和多种过渡过程的实验研究。指出了该转轮水泵工况下能量特性曲线的驼峰和迟滞性源于尾水管进口的压力变化。基于水泵断电过渡过程,呈现了三个工况区域的全特性曲线特征及无叶区压力脉动的时频特性。分析了通过球阀动态调节、水泵工况低扬程启动来动态测量水泵性能曲线的可行性。通过球阀静态测量实验,获取了机组的稳态特性曲线。分析了飞逸实验中转轮外特性参数及无叶区压力脉动,特别是动静干涉的变化特征。分析了通过球阀动态调节获取水轮机偏离设计工况下特性曲线的可行性,指出了动静干涉最大强度并未随球阀全行程时间改变而发生显著变化。发现了一种在定转速前提下动态获取完整S特性曲线的新式过渡过程——定速振荡,指出了定速振荡动态不稳定的根本原因在于转轮特性曲线在零流量点具有正斜率。通过令并列运行的两台机组共同经历定速振荡,发现了具有更强的S特性的机组在振荡过程中会趋于仅在反水泵工况运行,呈现出泵的效应,而具有较弱S特性曲线的机组的振荡范围则涵盖反水泵工况、水轮机制动工况和水轮机工作区。通过稳态和多种过渡过程实验验证了叶片转动频率9fn的幅值与单位转速的指数关系,指出了该关系的适用范围。（3）呈现了多个几何参数在提升水泵水轮机性能与稳定性上相互制约关系,理清了长短叶片水泵水轮机S特性曲线特征与转轮几何参数之间的关联规律。按照已开展模型试验研究的基准转轮的设计工况参数及转轮进口直径、出口直径、导叶高度等几何参数,设计了多个水泵水轮机转轮,完成了两次数值正交试验及一次敏感性分析测试。指出了叶片数组合、包角、叶片厚度、短叶片进口位置、转轮高压侧叶片安放角β2、转轮高压侧自上冠至下环的包角梯度、叶片厚度分布、叶片弯度等因素对水轮机设计工况水头、效率,水泵设计工况扬程、效率、比转速,飞逸点单位转速及零流量点单位转速的影响,分析了这些几何参数在提升水泵水轮机性能及改善稳定性上相互制约的矛盾。为了从正交试验中解耦各参数具体的影响,通过等长叶片参数化分析和长短叶片设计,明确了高压侧叶片安放角β2、低压侧叶片安放角β1、包角梯度、包角、弯度、短叶片相对长度、叶片总数、长短叶片配比等因素对水轮机工况效率曲线和S特性曲线特征的影响。（4）证实了长短叶片设计对过渡过程中外特性参数及压力脉动特性的改善,发现了长短叶片转轮无叶区动静干涉存在幅频转换特性。基于优选的长短叶片转轮,开展了详细的模型试验。指出了所设计的长短叶片转轮具有比基准转轮更强的过流能力,且在大流量、高出力工况下的效率更高,分析了在设计水位下无叶区压力脉动主频随开度的变化规律。在定开度变水头实验中,观测到无叶区压力脉动主频的转换特性。在设计水位、大流量工况下,无叶区压力脉动主频对应长叶片数或短叶片数,而随着流量减小,总叶片数对应的叶片转动频率逐渐成为主频。通过开展开机、导叶拒动甩负荷、球阀动态测量、定速振荡等过渡过程实验,详细地展现了“4长4短”转轮的外特性参数的变化及无叶区压力脉动的瞬时特征。定量地对比了“4长4短”转轮与基准转轮的S特性曲线特征和压力脉动特性,指出“4长4短”转轮尽管在设计工况下压力脉动幅值略高、效率略低,但在偏离设计工况下压力脉动幅值则较低,且S特性曲线较缓和。通过在相同的导叶开度、运行水位下开展导叶关闭甩负荷实验,定量地指出了“4长4短”转轮与基准转轮在过渡过程中调保参数上的改进。通过数值模拟,呈现了长短叶片在特性曲线S区的内流特征,并发现无叶区压力模态的幅频转换特性在相对流动角、涡量强度ωz等流动参数的圆周分布变化中也有所体现。