随着国家能源建设的不断推进,一些特大型,大型水电站相继建设进入设计、施工、运行阶段,随之而来的是高水头、小流量、长引水管道的水电站的开发建设数量越来越多,该类电站的水轮机常采用冲击式水轮机。同时越来越多的水电站布置了生态机组,生态机组具有单机引用流量小、单机容量小的特点,将生态机组与常规机组布置于同一个引水发电系统中时,引水发电系统是不对称的。系统中都布置有闸门井或调压井时,两个或多个闸门井的水位波动是相互关联的,通常把这种具有关联性的闸门井水位波动称为涌波叠加。本文在前人研究成果的基础上,结合实际工程中遇到的新问题对冲击式水轮机最大水击压力和不对称引水系统闸门井水位波动进行深入研究与探讨。论文的主要内容和研究成果包括以下几个方面：(1)冲击式水轮机喷嘴过流特性研究冲击式水轮机的水锤与喷嘴的过流特性紧密相关。根据冲击式水轮机喷嘴构件的布置特点对其结构进行研究,推导得出喷嘴开度和喷嘴单位流量与喷针相对行程都呈抛物线型变化规律的关系式。并利用喷嘴工作特性试验资料验证了其准确性。(2)基于抛物线过流特性下的冲击式水轮机水锤计算本文基于冲击式水轮机抛物线型下的过流特性,分别推导出冲击式水电站直接水锤、一相水锤和极限水锤的计算公式。通过验证得出：对于发生一相水锤的冲击式水电站的水锤压力计算,推导的解析公式比传统解析公式更加准确,与数值计算结果基本一致。对于极限水锤的计算,推导解析公式计算结果和常用解析公式和较接近,但和数值计算有一定的差距。对于冲击式电站,水头一般都比较高,管道特性常数ρ较小,在电站甩负荷过程中,多发生一相水锤。因此,本文推导的公式在冲击式水轮机在过渡过程计算中具有重要的理论意义和工程应用价值。(3)冲击式水轮机起始开度与最大水锤压力关系的研究推导得出冲击式水轮机甩负荷工况下发生最大水击压力的最危险初始开度τ0r的公式,与数值计算中发生最大水击压力时的初始开度非常接近。从实际工程神树水电站、南湃水电站等冲击式水电站的过渡过程计算结果来看,最危险开度τ0r比空载开度大许多,因此,在进行冲击式水电站过渡过程计算时,应将冲击式水轮机甩部分负荷工况(开度τ0r)作为喷嘴末端最大压力的控制工况。(4)冲击式水轮机关闭规律优化利用得出的小开度下甩部分负荷发生最大水击压强的结论,根据喷嘴末端压力控制标准ζc,研究得出了水轮机针阀一段式直线关闭或两段式直线关闭的规律。可利用推导解析公式计算一段式直线关闭时间和两段式直线关闭折点开度和关闭速率,并可进一步优化。经模型验证,推导解析计算结果与数值仿真计算结果比较吻合,对冲击式电站的导叶关闭规律优化具有指导意义。(5)不对称引水系统闸门井涌波叠加研究本文通过建立并求解关于不对称引水系统双闸门井涌波的二元二阶微分方程组,研究了双闸门井的涌波自由波动规律。结果表明,不对称引水系统任意一个闸门的涌波波动均为两个波函数的和,这是波动叠加的成因。利用推导所得的闸门井涌波波幅的公式,引入两个无量纲数(分别代表岔管位置变化的μ和总面积不变仅改变两个闸门井面积之比的λ),研究了双闸门井涌波波幅与岔管位置的关系和双闸门井涌波波幅与其面积组合的关系,对实际工程设计具有重要的指导作用。本文根据冲击式水轮机喷嘴的构造特点,依据几何关系的换算,得到了过流面积和喷针行程之间的关系式,通过变换得到喷嘴开度与接力器行程之间的关系式。以往初步设计阶段冲击式水轮机在水力机械过渡过程中采用是孔口出流模型进行计算,前提是假定接力器行程是与开度成线性关系,对此本文在孔口出流模型基础上推导新的流量公式,得出喷嘴单位流量与接力器行程的关系式是呈抛物线变化规律,能够较好的描述模型综合试验的特性曲线上的流量变化情况和等开度线的变化特征。以往在研究起始开度的大小对水锤压力的影响中,发生最大水锤压力的工况下的开度值只与管道特性常数和水锤常数有关,本文分析计算得出发生最大水锤压力的开度值还与冲击式水轮机的喷嘴构造特点有关。常规机组和生态机组并行的电站中,往往是由于生态机组闸门井或调压井的涌波波幅较高给工程建设带来难度,本文通过理论推导得出了双闸门井涌波波幅的公式,是两个余弦函数之和,通过研究分析得出了涌波波幅分别与岔管位置和闸门井面积组合的关系,得出了在不改变闸门井总面积的情况下,最佳闸门井面积组合的选取原则。