随着水力发电技术的发展,水轮机无论在单机容量还是在结构尺寸方面都朝着巨型化方向发展,而转轮作为水轮机能量转换的核心部件,其动力学性能和疲劳寿命对保证机组安全、可靠运行及维护电网质量稳定有重要影响,特别是一些在电网中作为频繁调节用的大型水电机组及抽水蓄能的水泵水轮机组,由于各种频率水流压力脉动引起的转轮叶片的动应力较大,导致叶片疲劳破坏问题越来越严重。如何在设计过程中根据可能运行工况来预测转轮叶片的疲劳寿命,提高设计的可行性,以及如何在运行过程中合理控制运行范围以延长转轮的寿命是水轮发电行业亟待解决的关键技术问题。本文结合某高水头水电站混流式水轮机转轮增容改造过程中的转轮可靠性分析,研究水压力脉动引起的转轮叶片动态响应的特性,并在此基础上探索转轮叶片的疲劳分析方法。主要研究内容和结论如下:(1)对水轮机进行瞬态全流道流场数值模拟计算,以获取转轮长短叶片上的水压数据并研究作用于叶片上的水压脉动规律。结果表明:转轮长短叶片表面在不同工况下都存在明显的水压脉动,而短叶片较长叶片而言更为强烈;叶片表面的水压脉动与转轮及活动导叶之间的动静干涉作用相关,其影响会从叶片进水边到出水边逐渐减小。(2)基于瞬态流场数值计算结果,采用单向流固耦合方法对转轮长短叶片进行瞬态动力学分析,以确定长短叶片上的危险部位并获得相应的应力—时间历程数据。结果表明:不同工况下长短叶片在一个旋转周期内都受到了明显的交变动应力作用;转轮长短叶片的危险部位出现在出水边与下环的连接处,且该部位的最大应力值会随着出力的增加而逐渐增大。(3)对水轮机转轮疲劳寿命的影响因素进行探讨研究。结果表明:应力集中、结构尺寸、表面加工和平均应力等因素对转轮叶片疲劳寿命有一定的影响,其中以平均应力的影响最为明显。(4)基于获得的应力—时间历程数据,运用结构疲劳理论对转轮长短叶片危险部位的疲劳寿命进行计算。结果表明:改造过程采用的转轮长短叶片危险部位的疲劳寿命满足该水电站正常运行年限要求,在设计寿命期内转轮不会出现由水压脉动引起的疲劳破坏。通过本文研究表明:将水压力脉动分析和基于流固耦合的动力学分析用于水轮机转轮疲劳寿命计算是一条可行的技术路线,其研究方法可以用于初步预测疲劳寿命,具有一定的理论意义和工程应用价值。