我国在上世纪80年代以前修建了大量的以混流式机组为主的低水头水电站,其水头范围为20~45m,其水轮机转轮型号主要为HL240。然而直到1992年水轮机转轮型谱JB/T 6310-1992出版,用于该水头段的混流式水轮机转轮仍然为HL240,缺乏高性能的混流式水轮机转轮来进行替换。近年来,随着该类电站运行中诸多问题的日益突出,国内大量低水头电站增效扩容工程被提上日程。几大水电设备生产厂家都在研发适用于该水头段的全新混流式水轮机转轮,并且已经有高性能转轮问世。但由于技术保密等问题,此类转轮未得到广泛运用。同时,各水电站的具体情况不同,针对不同的电站应做不同的分析。因此,本文旨在结合西南某水电站增容改造项目,利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)技术研发新的低水头混流式水轮机转轮,并对其进行数值模拟和优化,以替换电站原有水轮机转轮,实现对该电站增容改造的目标。在传统的水轮机转轮研发过程中,水轮机的性能参数需要模型试验才能得到测试,这将延长研发周期并增加研发成本。近年来,CFD技术快速发展,其可靠性、准确性、计算效率和计算可视化程度得到极大提高,这使得该技术在水轮机转轮研究设计方面得到大量应用。基于CFD的水轮机三维定常紊流计算,为水轮机性能预测提供了软件平台,使得数值试验替代模型试验成为可能。对水电站增容改造而言,该技术便于对各过流部件进行改型设计,具有成本低、周期短、济效益高等特点。为了验证CFD技术的可靠性和准确性,作者对电站原有模型水轮机HL240-46进行了数值模拟,结果表明水轮机性能参数计算值与对应模型综合特性曲线上实际值吻合较好。本次研究所做的工作是结合西南某电站增效扩容项目进行的。该电站原总装机容量为4×3200kW,水轮机型号为HL240-LJ-140。电站增容改造目标是在保持机组埋设部件不动的情况下,充分利用水力资源,将原有机组单机容量由3200kW增加至4000kW。本文通过研究,确定了水轮机新转轮流道结构形状及尺寸,设计了新转轮叶片。其中转轮直径由1.4m增至1.415m,活动导叶相对高度由0.365增至0.367,上冠型线由直线型优化为曲线型。在上冠型线优化后,根据流场分析,绘制叶片出口速度三角形,得到叶片出口安放角修正值变化曲线,并以此对转轮叶片进行修型。最终研发出的水轮机转轮最优效率达到了91.95%,比原HL240转轮最优效率提高了0.95%;最优单位流量为1.293m~3/s,最大单位流量为1.568m~3/s,比原HL240转轮分别高了0.193m~3/s和0.382m~3/s。根据新转轮的设计及优化结果,最终确定该电站的额定工况点为:额定水头为30.5m,额定转速为300r/min,额定流量为15.56m~3/s,机组单机出力为4000kW。达到了对该电站增效扩容的目的。