在现存的石油、化工、海水淡化等高能耗生产企业中,一般都存在着许多高压流体通过减压阀减压到所需的一定低压或者直接排放的工艺现象。在减压与排放的过程中,大量的流体压力能转化为热能散失在环境中,造成了这部分能量的直接浪费。倘若能够采用水力透平将这部分能量加以回收利用,回收余能用于再生产,那么在长期的生产过程中,对企业来说所产生的效益是十分可观的。因此,本文借鉴低比转速混流式水轮机的叶片设计原理与双吸泵的结构型式,设计出一种卧式双流道混流式水力透平机。在研究过程中,为了对其结构进行优化,保证性能和最大化水能回收效率,又能最大限度地降低研究成本,采用基于性能预测的现代水力设计思想。根据本课题的实际情况,对水力透平的全流道进行了水力设计与三维造型。由于导水部件对装置的结构、生产成本以及水力性能有一定的影响,所以对导水部件采用不同翼型导叶和无导叶几种方案进行了设计。显然,无导叶时水力透平的结构更加紧凑,生产成本相对较低,导水部件的相对水力损失较小,但是具体哪种方案的水力性能更好还是未知,所以利用Computational Fluid Dynamics(简称CFD)分析软件对水力透平的全流道复杂的紊流流场进行数值模拟,在数值模拟的基础上进行性能预测进而实现结构优化,取代传统的模型试验。通过数值计算,具体探讨各方案流场的速度、压力、流线、环量分布与水力损失等,从能量的总体转换性能,对变工况的适应性以及流场分布的合理性对比模拟结果,进行水力透平的结构优化。对几个方案全流道流动的数值模拟结果进行了定性与定量对比分析,获得以下结论:(1)通过转轮叶片进口环量的比较可知,虽然水力透平机的蜗壳是形成环量的关键部件,但很难仅依靠蜗壳来实现沿转轮叶片进口圆周供水或切向速度分布均匀,还必须利用导叶对环量起补充与修正作用;(2)通过对比分析,添加导叶的水力透平装置中,导水部件后面的过流流道中压力、速度、流线等分布较无导叶的水力透平装置中的更加合理,有利于能量的高效率转换;(3)计算结果表明,利用传统的头部较厚的导叶不利于水流绕流,在导叶头部处能量损失严重,故采用对头部修型且翼型减薄的导叶来研究水力透平机的性能,降低了导叶头部背面的绕流速度,减少了过流部件的水力损失;(4)在最优、大流量与小流量工况下,经过不同翼型导叶水力透平的数值模拟计算,比较分析可以得出添加头部修型的负曲率导叶的水力透平效率最优,且在小流量工况下其水力性能较其他方案好,表明该导叶应用工况范围广,选择为该设计要求下水力透平的导叶,为将来水力透平机的结构优化和性能预测提供了有益的参考价值。本文基于性能预测的现代水力设计方法,在研究设计中采用了添加负曲率导叶的设计方案,缩短了产品设计周期与成本,提高了能量回收效率。