工业冷却塔用水轮机用于冷却塔循环水系统中的富余能量的回收利用，每年可节约大量能量。它的机械效率直接关系到二次能源回收利用量。本文研究全替代式冷却塔用水轮机的优化设计方法和运行性能特征。　　研究采用优化转轮叶型、合理配置涡壳和导叶、充分利用尾水管回收动能的方法，提高水轮机的运行效率。本文用一维设计方法结合CFD技术进行转轮的初步设计。然后，采用基于叶片形状参数的效率函数的极值优化法进行转轮的优化设计。通过随机实验和CFD计算获了得多个叶型的参数-效率数据，将这些数据用于响应面法拟合效率函数，进一步求得最高效率对应的叶片参数。最后，用多元统计分析研究了转轮各叶片各参数对效率的影响。在涡壳-导叶的设计上，选择了由导叶辅助提供转轮进口所需的环量，涡壳内采用低速流动的方案。选用了较大锥度的尾水管，以尽量多地回收动能。　　为研究该型水轮机性能，首先，总结了直连式冷却塔用水轮机的串联特性、转速和流量成正比的特性、工况自相似性。然后，计算了5个工况点的整机性能。计算结果验证了转轮和引水部件的设计合理性。最后，结合模拟实验数据和冷却塔工况，解释了水轮机在各工况下转轮压头、输出的轴功率和效率的变化规律。因为具有工况自相似性，水轮机的效率在转轮压头和轴功率急剧变化的时候基本保持不变。通过函数拟合，发现该型水轮机近似满足功率和流量或转速的三次方成正比的规律。