在当今工业过程中,余压资源非常丰富,余压能指在工业生产过程中产生的未被利用的压差能量,通常指可以回收再利用而尚未利用的压差能。特别是在石油、天然气等行业。而这些行业一方面消耗大量的能源,另一方面余压能回收率低且利用量少,存在大量余压能得不到充分利用,造成能源浪费。传统的应用于天然气余压发电的技术主要是依靠透平膨胀机原理来进行能量转化,对于液体介质环境下高压力头大流量余压能回收利用技术主要是通过水轮机原理完成发电。油田注水开发是一种常见的采油方式广泛应用于油田生产现场,为满足端点井口不同注水压力的需求,注水干线常保持较高的压力,管网中存在丰富的余压能。石油注水管网余压利用技术是在工业过程中对高压能量进行回收和利用的技术,需借鉴高水头水力发电的理念,制造封闭带压腔体,通过改造管道直径来提升流体能量密度,在高压水流的作用下,水轮机叶轮转动,驱动发电机进行发电,发出的电可供管道井口本身使用,也可并网,该技术既高效又节能。石油注水余压发电系统功率损失主要制约因素为水轮发电机组和配套管网,且占总损失功率的60%以上。水轮机作为注水管网余压发电系统核心设备,其结构是影响装置发电的重要因素。水轮机的优化设计一直是从事水轮机科研工作者十分重视的问题。为进一步探究水轮机在余压利用技术上的应用的可行性,将石油注水管网余压发电系统作为研究对象。通过应用理论计算,SOLIDWORKS三维建模和ANSYS有限元分析软件,对水轮机结构进行了优化和数值模拟计算,并通过室内试验平台进行验证。水轮机主要由叶片、喷嘴和转轮构成,本文首先对水轮机的叶片形状、喷嘴进水口直径和出水口角度以及转轮直径进行了优化,和原来的水轮机结构对比分析,改良后的叶轮结构,降低了水流损失,更利于余压发电系统的获能。其次以优化后的水轮机结构为对象进行流体分析,包括注水系统管道流场流体特征分析、射流冲击水轮机流态分析和水轮机最优叶片数分析。最后为余压发电系统试验装置设计了监测系统,由原来的手动操作更新为手动或自动,自动操作时可以实时检测试验过程中主要数据。本文研究内容主要有以下几个方面:（1）水轮机结构初步设计。首先,对叶片泄流口形状设计。为保证水轮机射流后能够正常泄流,以减少喷嘴在冲击叶片时的水流损失,分析了矩形和三角形两种不同类型泄流口,由分析结果得出,槽形为正圆形,泄流口为三角形的叶片,水轮机获能效率最佳,且在腔体内能正常泄流;其次,喷嘴设计。在相同的压力与流量条件下,管路越粗,其水流与管壁的摩擦损失越小,这样尽量在不减小水流动能的条件下,增大进水部分的直径,以减少管路损失;第二,控制喷嘴出口部分角度,导流部分做成锥形。最后,转轮直径优化设计。转轮是水流冲击叶片获得动力的核心,转轮同轴连接发动机进行转动,是水轮机发电的主要原动部件,优化水轮机转轮的直径尺寸,对应产生的电机转矩会不同,效率也不同。通过对比分析了两种转轮直径力矩曲线图,发现转轮直径320mm在运动时产生的力矩的增幅较大,更有利于提高水轮机获能效率。（2）注水管道流场特征分析。从不同流速下的速度云图和压力云图可以看出,汇流口对水流有较大的汇流作用,这样可以保证水流以一个较高的速度冲击叶轮,背压出水口同样管径收窄,能够加速泄流,保证液体不在叶轮区域积压,形成阻力,能够使水流以较高的速度源源不断地冲击叶轮,提高叶轮获能效率。因此,注水管道汇流口对发电功率有一定影响,将流场特征分析结果应用于水轮机叶片数优化设计。（3）水轮机叶片数目优化设计。由优化后的水轮机来探究水轮机最优参数,分别计算在进出口压差为1MPa、4MPa、7MPa和10MPa的情况下水轮机叶片的水动力性能,得出了叶轮的扭矩系数Cm和出口质量流率（kg/s）的变化情形,即随着压差的增大,余压发电装置的出口质量流率和叶轮的扭矩系数呈现逐渐增大的趋势,且参数曲线的增加趋势较为平缓。可知,水轮机叶片数量影响水轮机获能。再通过水轮机不同压力差工况下叶片数目对比分析,结果显示在压差低于7MPa的情况下,三种不同叶片个数的水轮机中,28叶片的结构形式更有利于叶轮获得较高的扭矩性能以及较高的获能效率,但随着压差逐步增大到10MPa时,32叶片叶轮结构能获得较好力矩系数和获能效果的水动力特性。且还要考虑叶轮过多造成流场互相干涉的情况,因此叶片数目不能无限增加。（4）监测系统的设计。对装置增加了基于LABVIEW编程的余压发电数据采集系统控制方法的研究,使用自动操作模式,以便于获取试验中的数据,且能通过数据观察水轮机压力,流量,发电量等数据,进而分析水轮机优化效果。（5）试验研究。通过改良设计后的水轮机在室内试验平台进行试验。在实际工况下开展试验,水轮机叶片数分别为24、28、32,通过观察腔内水位变化,发现叶片数28时水位更高,发电量更多,验证了28叶片的结构形式更有利于石油注水余压发电系统叶轮获得较高发电效率。本文的研究成果基于目前的管道余压水流能发电实验装置,研制了高效的新型水轮机发电装置试验样机,同时也为冲击式水轮机的结构设计提供工程参考,有利于余压利用技术的更好的开发利用。