水力资源在我国能源的组成中有很重要的地位,它是既能再生、又不污染环境的优质能源。根据普查,我国水力资源居世界第一位,然而其开发程度较低,开发利用水力资源有着广阔的发展前景。水轮机是利用水力资源的的关键设备,水轮机有好多种类型,其中混流式水轮机是水轮机中应用最广泛的一种型式。由于其自身结构简单,使用水头范围广,高效区宽,在国内外的水电站中,应用的也最多。转轮是水轮机的关键部件,它直接将水流能量转换为旋转机械能。转轮设计的好坏对水轮机的过流能力、水力效率、空化性能、工作稳定性及对变工况的适应性等有很大影响,直接关系到整个机组能否满足工作要求,能否把水能充分利用起来。本文结合我国西部水力资源落差较大的特点,针对150m-180m水头段的拟开发出一个新的性能优良的复合式转轮的水轮机水力模型,进而更加合理、充分、有效地利用水力资源,把资源优势转化成经济效益和社会效益。1、参照水头段和比转速相近、性能优良的已有转轮水力模型全流道的几何参数,采用二元理论ω=0的方法,遵照转轮要满足在一定使用水头下,有尽可能高的转速和尽可能大的过流能力、较高的最高效率和平均效率,要有良好的空化性能、工作稳定性和对变工况的适应能力等的要求,设计出长叶片翼型及常规转轮(只含长叶片的转轮)的初始方案,并通过CFD模拟进行优化。2、在已设计好的长叶片翼型基础上进行短叶片设计,并借助Pro/E对其进行造型。3、对蜗壳、尾水管等过流部件进行水力设计和三维造型。针对水轮机全蜗壳常规水力设计方法中存在的不足,本文利用数值计算方法,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。4、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进口在同一直径上,进行多方案改进设计,对包括蜗壳和尾水管在内的全流道模型进行数值模拟。通过数值模拟分析,预测了各设计方案的水力性能,从而确定出水力性能最优时长短叶片数,短叶片周向偏置度和长短叶片的长度比值的最佳组合方案。5、对长短叶片数,短叶片周向偏置度和长短叶片的长度比值的组合最佳方案的水轮机进行性能预估。通过对其25个工况CFD数值模拟,绘制出该水轮机的工作特性曲线,从CFD分析预估性能表及工作特性曲线图中可以看出,该水轮机的最高效率为93.38%,主要运行工况点的效率都在90%以上,基本上达到了混流式水轮机模型转轮能量指标要求。通过对其大流量工况、最优工况、小流量工况进行模拟分析,得到各过流部件内部详细流动状况,结果表明最优工况压力、速度分布最好,其他各工况也均满足预期要求。