我国在上世纪六十、七十年代建成了一大批45米水头段的水电站，如双牌、盐锅峡、石泉、柘林、太平哨水电站等，其机组投运时间已有40～50年，接近或超过了机组设计寿命，过流部件磨损和空蚀破坏逐渐加重，机组效率大幅下降，大量补焊致使叶片材料内应力和微裂纹产生，对机组安全运行构成隐患。特别是双牌等电站现有机组当年是套用机组，在汛期基本没有满发机率，全年机组满发机率不大，造成电站汛期弃水。对机组进行增容改造十分必要。　　论文以水轮机全流道三维流动数值计算及主要部件有限元分析为研究手段，开展双牌电站水轮机转轮及导水机构各部件改造研究。首先针对原有HL240转轮下环进口曲率半径小和上冠轴面型线为直线的不足，通过改变下环扩散角和上冠型线，同时调整叶片进、出口边位置和增加转轮叶片开口，改善了转轮的空化性能和提高了转轮的过流能力；并进一步通过叶片优化技术的实施和活动导叶与转轮流动匹配分析，提升了水轮机的整体水力性能。　　在水力性能分析的基础上，将水轮机三维流动数值计算结果作为刚强度计算的边界条件，并考虑转轮功率传递特点，对转轮、顶盖、导叶进行有限元分析，得到水轮机的刚度、强度、以及振动的固有频率特性，验证机组的稳定性。　　最后，开展了所开发水轮机的模型试验研究，检验了水轮机性能，证实了研究成果的正确性。