经济发展往往伴随能源的消耗,能源供需矛盾也随之慢慢突出,同时一些社会生产生活方面又存在对能源的大量浪费现象。在国家提出紧密围绕工业节能与绿色发展,落实中国制造2025的大背景下,开展对节能工作的研究。我国有大大小小上万座机械通风冷却塔,而驱动风机转动的电机消耗了不小的电能。同时,由于设计的要求,大多数在冷却塔中进行冷却的流体（如水）中存在富余能量。课题组前期设计了一款水轮机,以利用该富余能量,并代替电机直接驱动风机旋转,以达到节能目的。该水轮机虽然满足冷却塔工作需求,但效率较低,引水部件损失较大,固定导叶区局部高压现象明显,转轮区有脱流、漩涡现象。因此作者采用正交优化的思想,针对水轮机固定导叶和转轮的几何参数对水轮机水力性能的影响,开展优化设计研究。主要通过Unigraphics NX（UG）软件建立三维模型,选用RNGk-?湍流模型,利用计算流体动力学（Computation Fluid Dynamics,CFD）技术进行模拟计算,对水轮机性能进行预估;选取适当因素和水平,设计正交方案,进行参数优化,最终得到水力性能更好的水轮机。主要成果如下:（1）对固定导叶进口安放角、个数、出流角进行研究,寻找到更适合该类型水轮机的进口安放角。选取不同导叶个数结合不同进口安放角进行研究,得到该型水轮机进口安放角和个数匹配关系的规律。通过设计新的出流角方案,分析各方案结果,确定固定导叶出流角,使水轮机水力效率更高,水轮机内部流场更好。（2）选取因素转轮叶片进口安放角、出流角、叶片数和上冠型线,对转轮叶片几何参数进行修改,采用CFD技术对改型后的水轮机进行数值模拟与后处理,结合模拟结果,对过流部件进行优化设计,分析各参数对水轮机水力性能的影响。（3）根据前期研究单因素对水轮机水力性能的影响,选取因素和水平,设计合适的正交表。用四因素三水平L₉（3⁴）表,拟定了9种方案,再根据试验方案用CFX进行模拟计算,针对计算结果用CFD-Post进行后处理,分析不同方案下水轮机水力性能。（4）通过极差分析法（R法）,分析各因素水平变化对水轮机水力效率的影响,提出最佳参数组合。对优化方案重新建模再进行CFD计算,最后通过后处理分析,得到优化后水轮机额定流量工况下效率达到77.91%,比原水轮机效率提高2.04%,而且其内部流场分布更好,水力性能大幅改善。（5）在前述研究基础上,对水轮机进行变流量工况研究。通过回归分析,建立了水轮机单位流量与单位转速的关系,分析了单位流量与效率的关系。结果表明,最优工况下单位流量为0.1398m³/s,单位转速为51.16r/min,此时效率达到79.69%,比原水轮机最优工况下效率增加1.43%。优化后水轮机高效区范围增加,水力性能更好。