我国水力资源丰富,且主要集中在西部,其特点是落差大,多泥沙。混流式机型在转速、容量和水头相匹配的情况下,相对于冲击式有许多优越性,特别是复合叶栅的转轮以其出力大,运行稳定,抗磨蚀性能好,效率高等优势,得到了较普遍的认可。为了使宝贵的可再生清洁能源得到尽可能充分地开发和利用,本文针对125m水头段水力资源,拟开发出一个新的性能优良的水轮机复合转轮水力模型方案。在计算机辅助设计(CAD)和计算流体动力学CFD数值计算技术的支持下,对复合转轮内部流动进行研究和探讨,旨在找出短叶片翼型及其布置位置等对全流场内部流动及性能的规律,完善短叶片及转轮的设计方法,具有很高的学术价值和重要工程现实意义。若取得成果应用前景广阔。作者在适用于该水头段的常规水轮机中选取一个性能较优良的转轮作为初始方案,根据设计参数,选取HL153-600型转轮作为初始转轮模型,拟开发出性能优良的HL153-460型水轮机复合转轮水力模型方案,主要研究内容和创造性成果如下:1.根据水轮机相似原理和设计参数要求,设计出优良的复合叶轮长叶片;短叶片及其叶栅的设计基于长叶片木模图,文中以对应水平截面的长叶片工作面为其短叶片的工作面,沿水平截面与长叶片成比例缩放,借助于Proe/E强大的实体和编辑功能,快速生成短叶片的三维实体模型,经Pro/E的曲面分析其工作面和背面基本上达到光滑度要求,可以作为短叶片叶栅的基础模型。2.以长短叶片数,短叶片周向偏置度,长短叶片的长度比值作为参数进行转轮水力设计,保持短叶片与长叶片为同一进口位置,其他径向偏置不做考虑,进行多方案改进设计,对包括蜗壳和尾水管在内的全流场进行数值模拟,针对其中一个设计方案,采用不同的湍流模型,网格数以及迭代残差,尽可能把人为误差控制在最小范围内,确保后期计算结果的稳定性和准确性。通过数值分析预测了各设计方案的性能曲线,得到了添加短叶叶栅后对水轮机性能的影响趋势:η-H曲线更趋平坦,且高效区变宽;Q-H曲线向大流量方向偏移;N-H曲线更加陡增。3.蜗壳,导叶和尾水管都是水轮机的重要过流部件,针对水轮机全蜗壳常规水力设计方法中存在的不足,利用数值计算方法,使蜗壳尾部圆断面内的水流遵循速度矩为常数的运动规律,而无须转换成椭圆断面,从而完善蜗壳非圆形断面的水力设计方法。经流场模拟分析验证,设计出的蜗壳不仅使蜗壳中的水流运动符合设计基本假定,其流场分布与理论分析相符合,而且所设计出的蜗壳流道平顺光滑,流态分布良好。本项目研究水力模型的开发属于新机型,又由于时间、条件和本人经验不足所限,有很多工作目前还没有进行到位,文中给出的水力模型方案,还不能令人满意,技术性能指标还不够先进,还有进一步的提升空间,有待于以后继续深入研究。