建筑物火灾产生的浓烟、粉尘和高温是开展消防灭火的主要障碍,研究开发具有消烟、降尘、降温功能的消防设备是关系消防人员、受灾人群人身安全和达到更有效灭火目的的重要保障。水力消排烟机作为防爆性好、移动方便、兼具消烟和降尘降温等优势的消防辅助器材,备受相关领域关注。本文以水力消排烟机的核心部件水轮为研究对象,着力在研究结构参数对水轮内流场特性及性能的影响规律基础上,进行水轮结构优化设计研究,以期为水轮及水力消排烟机的研发提供参考。主要研究工作及结论如下:1、在综合调研分析的基础上,建立了水轮内部流动计算模型,对现有水轮内流场进行了模拟计算,并通过实验验证了模型的可靠性。2、研究了直喷管水轮的喷管长度、喷管直径、喷管根数、喷孔面积和喷孔角度等结构参数对水轮内部流动特性及效率的影响规律,分析影响水轮性能的关键结构参数,为水轮结构优化奠定基础。研究表明:喷管长度是水轮效率的重要影响因数之一,较小的喷管长度更易获得更高效率;喷孔角度对水轮效率的影响明显,喷孔角度增大效率降低;其它参数对水轮效率的影响相对较小。3、研究了弯喷管水轮弯管夹角对水轮效率的影响规律。研究表明:弯管角度对水轮效率的影响十分显著,最高效率随弯管角度的增大先增大后减小;弯管角度小于90°时,最高效率对应转速为1200rpm,弯管角度大于等于90°时,最高效率逐渐向转速减小的工况偏移。4、在不同结构参数下分析了直喷管和弯喷管水轮速度比与最高效率的关系。不同结构、参数、工况下水轮最高效率对应的速度比不同,直喷管水轮速度比在0.59到0.88之间,弯喷管水轮速度比在0.53到0.82之间,总体平均大致在0.7左右。5、对水轮结构进行了优化设计研究,通过正交试验方法确定水轮优化变量,采用均匀试验设计方法建立水轮优化样本集,采用响应面法分析优化变量间的交互作用对水轮效率的影响,通过遗传算法优化水轮结构。研究表明:弯喷管水轮的效率明显高于直喷管水轮;直喷管水轮优化后效率提高了5.39个百分点,达到49.62%,对应结构参数喷孔面积为103.4mm~2、喷管直径为24mm、喷管长度为382.8mm、喷管根数为2;弯喷管水轮优化后效率提高了15.4个百分点,达到81.47%,对应结构参数喷孔面积为109.92mm~2、弯喷管直径为32.96mm、弯喷管长度为480.96mm、弯管角度为75.94°、弯喷管根数为2。