液体压力能是一种清洁的可再生能源,泵作透平作为小功率液体压力能开发节能装备,相对微型水轮机有体积小、结构简单、成本低和方便维护等优势,在小水电和工业流程中有着广泛的运用。目前大流量、中低水头液体压力能利用设备较少,而适用于大流量、中低水头的混流泵作透平往往选型困难甚至无型可选,因此有必要对混流泵作透平设计方法展开研究。叶轮是混流泵作透平能量转换的核心部件,对叶轮开展研究,研究透平叶轮优化设计方法,对提高小功率液体压力能利用率、推广农村水电和推动清洁低碳的能源体系建设有着重大的社会意义。本文采用试验、数值模拟和理论分析相结的方法,以混流泵作透平叶轮为研究对象,对混流泵作透平内部流动、叶轮切割及透平叶轮参数优化设计展开研究,本文的主要工作内容和创新性如下:(1)设计并制造比转速分别为222和264的混流泵作透平样机,搭建混流泵作透平试验台进行透平外特性试验测试。利用CFD软件对混流泵作透平进行数值模拟,对比不同湍流模型、网格数下数值计算所得透平外特性与试验外特性,确定了较为准确的混流泵作透平数值模拟方案。(2)对混流泵作透平进行内部流动分析,研究不同流量工况下透平各过流部件内部流场分布及水力损失分布,总结混流泵作透平内部流动规律。分析非设计流量工况下透平效率下降的原因,并对混流泵作透平内部能量损失进行分析,为透平水力性能优化提供理论基础。(3)创新性地对混流泵作透平叶轮外径切割进行研究,通过试验得到不同切割比例下透平的外特性,发现混流泵切割公式计算结果与透平试验所得结果高效点偏差在4.17%以内,高效点水头偏差在4.8%以内,混流泵泵工况下叶轮切割定律应用在透平工况具有一定的准确度。通过数值模拟的方法分析切割前后透平内部流场变化和水力损失变化,总结透平外特性变化的原因。对混流泵作透平盖板切割进行研究,得出在叶轮切割时应保留前后盖板的结论。(4)对混流泵作透平叶轮进行重新设计,通过数值模拟和理论分析的方法,以混流泵作透平叶片进口角、叶片出口角、叶轮进口宽度、叶片数和叶片包角为研究对象,研究其变化对透平外特性的影响。试验验证了混流泵作透平叶轮高效设计理论的正确性,采用高效设计理论设计了水头10 m,轴功率5 kW的混流泵作透平,该产品已成功应用于透平市场。