贯流式水轮发电机组在正向水轮机和反向水泵工况的水流流动更加稳定,具有轴向贯通、水力损失小、过流能力强等特点。我国现有的贯流式机组机型多以引进为主,因此在基础性技术研究方面尚存在不足。其中灯泡贯流式机组的流道流场分析和水轮机转轮的流固耦合分析一直是本领域的重要技术难题之一,此外对于大型机组振动和稳定性的分析亦需进一步研究。本文综合应用有限元、CFD数值方法,结合优化设计思想,以云南JK水电项目水轮发电机组为研究对象,利用大型工程建模分析仿真软件开展贯流式水轮发电机组的设计与开发,对于提高本行业的设计水平将会是一项非常有意义的尝试和实践。本文的主要研究工作和取得的成果如下:1、收集、分析、调研行业内贯流式水轮机组的运行情况,结合现场运行的主要特点,分析了目前贯流式水轮发电机组运行过程中出现的工程问题以及有待提高改进之处,并对相关设计理念和方法做了总结分析。2、对水轮机在额定工况与大开度工况下运行时导水机构、转轮和尾水管进行流场计算和分析。导水机构内,静压分布从进口至出口均匀降低;转轮叶片压力面和吸力面从进水边至出水边的中部压力分布较为均匀。额定工况下,尾水管出口处的水流对尾水管壁面形成周期性撞击,导致尾水管靠近出口的地方出现部分高压区,这种现象是机组尾水发生振动的主因。基于原转轮在额定工况及大开度工况下运行时的CFD流场计算分析结果,对叶片以及泄水锥分别进行优化改型。3、采用流固耦合方法分析了转轮在水介质下的动力特性,叶片旋转频率为9.09Hz,与转轮在水中第1阶固有频率较为接近,极有可能形成共振。转轮在尾水管涡带频率范围之内,与尾水管涡带发生共振。转轮第五、第六阶频率与导叶旋转频率非常接近,较易与导叶旋转频共振。且最大振幅位置均在叶片轮缘中部及靠近出水边处,与电站所反馈的“叶片轮缘靠近出水边存在开裂及部分材质脱落的现象”一致。计算得到的额定工况下卡门涡的频率范围为53～62 Hz,转轮不会与其形成共振。4、基于响应面算法和遗传算法,采用Design Expert专业优化设计软件建立目标函数,通过Matlab软件优化工具箱对转轮体进行优化设计,并针对优化后的贯流式转轮机组进行CFD计算和有限元分析。发现通过改变导叶出水边的水流出水角与叶片进水边外缘的翼型安放角的冲角,改善导叶流域的冲击损失和脱流现象具有可行性。通过改变翼型弯度的方法来处理叶片上不符合流场分布规律的高压区亦有效。研究表明,通过改变叶片出水边靠近轮缘处的叶栅稠密度和叶片出水边的弯度的方法,可明显改善尾水管内部的偏心涡流现象以及尾水管出口处水流对尾水管壁形成的周期性横扫撞击现象。5、对新水轮机机组的整机及主要部件在额定运行工况、飞逸运行工况和突然短路工况下进行了结构特性分析,发现JK机组整机在额定运行工况、飞逸停机工况和突然短路工况下,最大位移分别为1.0864mm、0.996mm和1.0191mm,其位置都在管型座大法兰内径边缘,满足机组运行刚度要求。额定运行工况下应力最大值位于泡头进人筒筋板处,飞逸停机工况下应力最大值位于管型座特殊筋板上,突然短路工况下应力最大值位于管型座特殊筋板上,最大应力集中点均小于材料屈服强度235MPa的2/3,满足机组强度要求。