以液力透平为核心设备的小型水力发电系统具有投资成本低、运维方便、环境影响小等经济技术优势,在工业余能回收领域及大电网难以覆盖的偏远农村地区获得了广泛的应用。在较大流量、中低水头的工况条件下进行水力发电,混流泵反转作透平更为适用。现阶段关于混流泵作透平的研究和改进主要集中在叶轮部分,对蜗壳部件的探究相对较少。受泵体径向尺寸影响,混流泵反转用作透平时通常不设置导叶结构,液体从蜗壳出口直接流向叶轮进口,蜗壳的几何结构很大程度上影响着叶轮的入流状态和机组性能。因此,开展混流泵作透平蜗壳部件的研究,对提高小型水力发电系统的综合能效、巩固农村水电发展成果有着重要的现实意义。本文采用数值模拟与试验探究相结合的方式,以蜗壳部件为出发点,结合相关理论对混流泵作透平的外特性、内部流动状态及结构设计方法进行了研究,主要的研究内容和创新性成果如下:(1)设计并制造了比转速为288的混流泵作透平试验样机,搭建混流泵作透平专用试验台进行外特性测试。研究了数值计算过程中网格数、湍流模型等因素对混流泵作透平外特性的影响,并将计算结果与试验结果相对比,获得了较为准确的混流泵作透平数值计算方案;对混流泵作透平各过流部件内部流动状态及能量转换过程进行了数值模拟探究,为混流泵作透平蜗壳的结构研究提供了基础。(2)对混流泵作透平蜗壳部件进行了重新设计,通过数值模拟的方式探究了蜗壳截面形状、蜗壳型线、蜗壳截面面积、蜗壳出口宽度等主要几何参数对混流泵作透平的影响,获得了蜗壳不同几何参数对混流泵作透平的外特性、内部流动及水力损失的影响规律。从蜗壳的角度探讨了混流泵作透平的设计方案,为实际工程应用提供了理论参考。(3)将泵体内部流动区域划分为主流区、过渡区和泵腔间隙区。对后泵腔间隙区流场进行了数值模拟和试验研究,分析了泵腔间隙内部流动状态以及间隙大小对混流泵作透平的性能影响。通过填充板填充的形式对后泵腔间隙进行修改,并在试验台上进行测试。数值计算和试验的结果均表明,后泵腔间隙经填充后,混流泵作透平的水头、轴功率及效率均有一定程度的上升。(4)创新性地提出了出口倾斜型蜗壳方案以提升混流泵作透平运行效率。计算并分析了采用出口倾斜型蜗壳情况下混流泵作透平的外特性及内部流动规律,与普通的径向出口蜗壳相比,蜗壳出口倾斜后混流泵作透平水头、轴功率和效率分别提升了10.41%、17.64%、5.2%。设计并制造了出口倾斜型蜗壳样机,将径向出口蜗壳与倾斜出口蜗壳进行了同台试验,试验结果证实了出口倾斜型蜗壳能够显著提高混流泵作透平的运行效率,为混流泵作透平的设计及应用提供了新的思路。