为了研究余压发电技术应用于微型高压水流冲击轮机发电的可行性,探究不同水斗式导叶的转轮直径尺寸、水斗式导叶缺口形状、以及不同流量和压差下高压水流冲击轮机的屈曲强度特性与获取能量的效率问题。运用在石油天然气钻井工程领域发挥重要作用的高压水柱进行水流发电设计。设计了一种微型高压水斗式冲击轮机及其高压测试平台,参考传统式水斗式轮机的设计思路,提出了一种应用于石油钻井高压注水管道段嵌入式新型高压水斗式冲击轮机。采用有限元分析法、结构力学、流固耦合和样机实验验证等研究方法,根据石油钻井高压注水管道的实际工况参数对嵌入式新型高压水斗式冲击轮机的水斗式导叶的转轮直径、导叶表面缺口形状设计等进一步优化参数设计。首先,基于传统的水斗式轮机设计与研究课题的实际现场工况,结合结构力学研究方法对轮机的各个部件进行尺寸的初步设计,并确定喷嘴与导叶的数目。其次,采用流固耦合与有限元分析的研究方法探究不同水斗式导叶的转轮直径尺寸、水斗式导叶缺口形状下高压水流冲击轮机的屈曲强度特性与获取能量的效率问题。最后,根据前期理论研究设计管道段嵌入式微型高压水斗式冲击轮机及其高压测试平台。通过调节入口射流的流量与管道进出口压差来研究在不同流量和压差下高压水流冲击轮机的获取能量的效率问题,将实验结果与理论计算结果进行对比研究,验证理论研究方案的可行性以及余压发电技术应用于微型高压水流冲击轮机发电的可行性。本文以应用于石油天然气钻井工程的新型高压水流冲击式发电轮机为主要研究对象,根据实际工况,在设定给定水力参数下进行有限元计算、流态模拟、屈曲形变分析,在此基础上,探究高压水流发电装置在不同结构参数设计下,整机获能率与稳定性的特性,本文重点从以下三个方面进行分析研究:（1）流态分析。利用射流冲击模型理论、流体力学理论、最佳动力学模型理论、二维几何受力分析理论等方法,推导与演算出高压水流冲击水斗式导叶内表面区域时冲击力F和流量Q的计算公式。理论揭示了高压水流入射角、水力效率和轮机导叶内能损失系数之间的影响规律,理论揭示了入口射流直径与轮机出水和水力函数有关,与转轮直径等参数无关,并通过有限元仿真和实验验证相结合的方法证明了所建立计算模型的正确性。为进一步高压水流冲击式发电轮机内部流态变化,设计不同的入口射流直径、并改变喷嘴与水斗式导叶的相对位置,改变水斗式导叶缺口设计尺寸来研究喷嘴尺寸、水斗式导叶外形结构参数设计对高压发电装置的水流流态与获能效率的影响规律,揭示影响轮机水流流态的机理,探究获能效率较高的轮机的结构设计参数。（2）获能与屈曲强度敏感性分析。利用单向流固耦合理论提取流场分析的结果作为轮机屈曲分析的受力载荷,利用Static Structural与Eigenvalue Buckling模块对轮机水斗式导叶进行联合有限元仿真分析,得到在高压射流冲击力下水斗式导叶表面的局部屈曲变化规律。为进一步分析轮机获能与屈曲强度敏感性研究,探究不同水斗式导叶的转轮直径尺寸、水斗式导叶缺口形状改变转轮直径下轮机的屈曲强度特性与获取能量的效率问题。研究水斗式导叶表面屈曲形态,通过在水斗式导叶表面设置监测点,参数化研究与监测在不同的转轮直径和不同的水斗式导叶缺口设计尺寸下水斗式导叶表面屈曲变化规律与获能效率特性。（3）高压水斗式水流冲击新型样机的实验。在不同入口水流压力下模拟水流冲击单喷嘴直径为35mm射流轮机样机的实验,运用高速摄像设计与图像处理技术,分析不同入射水压冲击水斗式导叶内表面时轮机腔内的流态规律,测试在不同轮机直径下整机的获能效率,从理论上归纳轮机装置在不同水斗式导叶缺口尺寸下整机的获能效变化规律。首先,该研究创新性地提出了将传统式开放性水斗式轮机改良为微型封闭式水斗式冲击轮机。其次,该研究创新地大胆地将大型水力发电装置改造为微型应用于管道嵌入式高压水流冲击式轮机。其次,由于装置的尺寸微型,将水斗式导叶进行改良设计,增加导叶厚度、去除水斗式导叶中间的劈水刃、设计新型水斗式导叶缺口外形尺寸等。最后,该研究创新性地研究高压水管中应用微型水斗式涡轮机发电的可行性问题,为未来的余压发电技术的发展提供参考。结果表明,相比较而言,缺口为三角形的水斗式导叶的获能效率比缺口为矩形的水斗式导叶的获能效率高出约2%,故在微型高压射流水斗式轮机中,选中缺口为三角形的设计获能效率较优。与导叶转轮直径150 mm的轮机相比较,导叶转轮直径为D=320 mm的轮机的性能较佳,其最佳获能点在流量约为12 m³·d^-1时,最大功率约为250 W,最佳获能效率约为29%。在进出口管径、流量一定的情况下,发电量与进出口之间的压差、流量呈正相关。在流量大于20 m³/d^-1、压差大于2 MPa时,发电功率均在180 W以上,且压力能—电能的平均转化效率在27%以上能够满足用电需求。本文的研究成果为高压水流冲击式发电轮机的结构设计提出一些符合工程实际应用的设计建议,为水射流冲击流态理论的完善做出一部分贡献,有助于推动射流轮机行业发展。