水轮机运行的稳定性是长期困扰国内外水轮机水力行业的世界性难题,尤其是中低水头段混流式水轮机的运行稳定性问题。目前,针对大型水轮机稳定运行问题国内外还没有切实有效的解决措施,影响水轮机稳定性的因素多且复杂,以部分负荷工况产生的压力脉动问题尤为突出。本文以中国国家发展改革委核准的丰满水电站全面治理(重建)工程(以下简称丰满重建电站)为依托,进行高比转速混流式水轮机的开发研究,重点解决部分负荷工况运行稳定性问题。根据丰满重建电站特点,基于大数据分析、CFD分析以及模型试验等方法,探索了保证低水头段机组运行稳定性的水力设计技术,系统的论述了解决丰满重建电站稳定性问题的过程、关键技术以及取得的相应成果,在提高中低水头段机组运行稳定性上有了新的实质性突破。首先,基于对丰满老电站近8年现场运行大数据的统计、分析,发现丰满重建电站不同于相近水头段常规电站非常特殊的水情、电情和运行特点。并对决定水力性能的关键参数比转速和吸出高度进行了论证分析,找准项目开发的重点和难点,提出水轮机水力开发的关键参数。同时通过变空化压力脉动模型试验,验证了安装高程降低,对部分工况点的压力脉动幅值降低有显著效果。其次,本文着重对水轮机运行稳定性影响较大的转轮进行了有针对性的研究。从转轮设计方法、设计阶段和转轮关键参数等几个方面阐述了转轮设计对水力稳定性的重要影响。结果表明,新型轴面和叶片数的增加,可使效率圈向水平方向扩展,高效区更宽广,运行范围更优;进水边及上冠处头部翼型对叶道涡有着明显的影响,并通过模型试验进行了验证。最后,利用CFD数值模拟方法与试验相结合的方法,着重对使用不同泄水锥时尾水锥管流态进行了观察与分析,结果表明泄水锥的形状对流道内部压力场、压力梯度的变化,压力脉动均有较明显的影响,通过选择合适的泄水锥能够显著改变涡带的发生位置、形状和频率,降低压力脉动能量或其他特定频率的能量,提高机组的稳定性。论文研究内容对中低水头段混流式水轮机水力稳定性关键技术有一定的指导性和参考性,其采用的新型设计思路和方法可以推广应用到在其它电站,为降低部分负荷压力脉动提供了可借鉴的工程方法。