抽水蓄能电站在电力系统中承担调峰填谷、紧急事故备用和定向服务等诸多功能,随着我国能源结构的优化和智能电网的发展,大规模发展抽水蓄能刻不容缓。与此同时,社会生产对抽水蓄能电站的性能要求愈来愈高,需对其核心部件水泵水轮机不断改进。近年来,长短叶片转轮得到广泛应用,其在改善性能曲线、提高小流量与部分负荷工况的效率和稳定性、降低压力脉动、提高转轮空化性能和可靠性等方面发挥了重要作用。对于长短叶片水泵水轮机这种复杂旋转机械,其内部动静干涉引起的非定常脉动现象是机组稳定性的关键因素。为此,本文以国内某抽水蓄能电站长短叶片水泵水轮机模型为研究对象,基于CFD(计算流体力学)与FSI(流固耦合)数值计算技术结合相关试验数据对泵工况动静干涉及振动特性进行深入研究。选取不同流量、开度工况进行对比分析,获得流量、开度变化对动静干涉及振动的具体影响,为保障水泵水轮机机组的稳定运行提供有效参考。主要研究内容如下:(1)模型外特性及内部流动分析:基于流体不可压缩,针对9.8°、17.5°和24.8°开度进行全流场数值计算,获得其外特性曲线并与试验数据对比。选取各开度对应的0.75Q_d、1.0Q_d和1.25Q_d进行内部流动分析,获得不同开度下不同流量工况的内部流动特性。结果表明:本文采用的SST k-w与SST-SAS湍流模型对水泵水轮机泵工况外特性与内部流动的预测精度较高。小开度大流量与大开度小流量下的流动稳定性较差,尤其小开度9.8°下双列叶栅内明显的流动分离导致水力损失较为严重。(2)不同流量下泵工况压力脉动分析:首先根据相关理论对泵工况动静干涉引起的压力脉动频率进行合理预测。然后针对最优开度17.5°的0.75Q_d、1.0Q_d和1.25Q_d工况进行非定常监测,探究压力脉动强度及频率在全流道内的分布特征,并结合内部流动分析不同流量对泵工况动静干涉的影响。结果表明:受动静干涉影响,无叶区内压力脉动突出频率主要有5f_n、10f_n和20f_n,转轮区域压力脉动主频为16f_n,尾水管出口管壁附近压力脉动主频为5f_n。对比最优开度17.5°的不同流量工况的压力脉动发现,小流量0.75Q_d下的流动不稳定性会产生非线性频率,额定流量1.0Q_d与大流量1.25Q_d下主要为动静干涉轴倍频。不同导叶高度处无叶区内的压力脉动具有显著差异,且靠近底环附近的动静干涉较最为强烈。从无叶区至固定导叶出口,动静干涉频率幅值不断衰减,且各频率幅值衰减主要集中在活动导叶区域。(3)不同开度下泵工况非定常特性分析:选取9.8°、17.5°和24.8°开度的额定工况为研究对象,重点关注活动导叶区域与转轮区域的非定常脉动特性,分析转轮与活动导叶区域的压力脉动及其受力情况,对比研究得到导叶开度对两者间动静干涉的影响。结果表明:随着导叶开度的增大,动静干涉加剧,且开度变化带来的影响愈发显著,转轮径向力、导叶水力矩大小及其脉动幅度也越大。最优开度与大开度下转轮径向力、导叶水力矩分布规律性较强。5f_n在小开度与大开度下的幅值均大于最优开度,说明偏离最优开度会加剧长短叶片与活动导叶间动静干涉的差异性。小开度下活动导叶出口处充满低速涡核,且涡量脉动程度较强,从而产生幅值较高的低频成分0.2f_n,并向上游无叶区传播。(4)基于流固耦合的振动特性分析:选取9.8°、17.5°和24.8°开度额定工况的流场压力作为预应力,对转轮结构与活动导叶结构进行流固耦合干湿模态计算,对比分析了不同条件下转轮结构与活动导叶结构的变形与模态振型,并通过比较固有频率和动静干涉频率,评估结构由动静干涉引起的共振风险。结果表明:预应力下,转轮结构变形主要发生在上冠与下环低压侧,活动导叶结构发生扭转变形。模态振型中转轮上冠、下环低压侧的相对振幅较大,且以上冠处振动占主导。湿模态下水附加质量对结构件模态振型特征的影响不大,但会显著降低结构件固有频率及振幅。对比湿模态下各阶固有频率与动静干涉频率得出,长短叶片数5+5与导叶数16的组合形式可以使动静干涉频率避开结构件低阶固有频率,大大降低转轮结构与活动导叶结构在动静干涉下的共振风险。