抽水蓄能电站具有调峰填谷、调相、紧急事故备用等优点,是我国电力工业中不可或缺的主要组成部分。水泵水轮机是抽水蓄能电站的核心部件,其性能优劣对抽水蓄能机组高效、安全、稳定运行具有重要意义。性能优良的水泵水轮机要保证其具有良好的双向流动效率,空化性能、“S”区特性以及压力脉动性能。目前,水泵水轮机设计大多采用设计-实验-修正的方法,难以同时兼顾转轮多个性能目标。本文利用一种转轮多目标优化设计系统,完成了蒲石河水泵水轮机转轮优化设计,在设计工程中,综合考虑了转轮效率、空化和压力脉动性能,并对优化后转轮进行了实验测试和数值模拟计算分析。多目标优化设计系统依托ISIGHT优化平台,整合了三维反问题设计方法、CFD数值模拟、实验设计方法、响应曲面方法以及多目标遗传算法。利用该系统,以叶片载荷和转轮高压边倾角为优化变量,水泵额定工况效率、水轮机额定工况效率、水轮机最优工况下机组效率以及机组空化性能为优化目标,对蒲石河水泵水轮机转轮进行了优化设计,共得到10000个优化转轮。随后从优化转轮中,优选得到三个效率高和空化性能好的转轮,并通过进一步非定常数值模拟研究,选取优选转轮中压力脉动性能最优的转轮作为最终设计转轮。同时在设计过程中,研究了优化变量的敏感性,得到了各优化变量与优化目标之间的关系,为水泵水轮机设计积累了宝贵的设计经验。优化设计成果表明,最终转轮相比于初始转轮各个目标均得到不同程度的提升。转轮水泵额定工况机组额定效率提升了0.33%;水轮机工况机组额定效率提升了2.5%;水轮机最优工况机组效率提升了0.17%;水泵工况叶片最低压力提升了约5.17m。对最终转轮进行加工及模型试验,测试内容包括水泵性能试验、水泵空化试验、水泵压力脉动试验、水轮机效率试验和水轮机压力脉动试验。试验结果表明最终转轮具有较好的效率性能、空化性能和压力脉动性能。水泵和水轮机工况下最高模型效率分别为91.323%和92.608%,转化为原型机最高效率分别为93.53%和94.903%;最终转轮在小开度下转轮,空化性能更好;水泵和水轮机工况下转轮前导叶后无叶区位置压力脉动幅值最大值分别为16.57%和24.22%。通过CFD数值模拟重点研究了转轮设计误差、转轮在水泵额定工况和水轮机额定工况下的内流场特性以及转轮“S”区压力脉动特性。研究结果表明,优化前后转轮叶片表面压力分布相差不大,转轮叶片高压边倾角改善了叶片表面流线分布;转轮“S”区流动十分复杂,随着工况点变化,无叶区会先出现旋转失速后消失,尾水管会出现尾水涡现象。在旋转失速特征强烈工况点,无叶区旋转失速涡团会进一步向下游发展与尾水涡相互作用形成新的尾水涡带。