基于用于冷却塔的电动力水轮机富余能量浪费及水动力水轮机特殊工况下供能不足的现象,提出一种用于冷却塔的水电混合动力水轮机。水轮机用于回收利用冷却塔循环水系统中的富余能量,同时电力部件可提供动力补偿以保证任意工况下冷却塔能够稳定有效地运作。以用于冷却塔的水电混合动力水轮机作为研究对象,水轮机的工作效率为研究目标,围绕其结构、水力性能及混动控制策略等方面展开研究,从流体动力学角度对水轮机转轮进行优化设计,并根据水轮机的工作特性确定工况范围内的混合动力区间及混动控制策略。首先对水轮机的基本原理及其内部流体流动展开了研究分析,确定了用于冷却塔的水电混合动力水轮机的结构形式,研究分析水轮机的基本方程、流体运动计算的控制方程、湍流模型、离散方法及网格种类,分析出RNG k-ε模型和结构化网格为流体运动计算的最佳湍流模型和网格划分方法,为进一步对水轮机的结构设计及水力性能分析提供理论基础。针对冷却塔水轮机的独特工作环境,结合水轮机的基本原理和流动分析,设计出水电混合动力水轮机的结构模型,并对水轮机进行详细设计。运用一元理论设计方法,完成水轮机的转轮、导叶环、蜗壳及尾水管的初步设计及三维模型的建模与装配;利用Ansys ICEM完成模型的网格划分研究,确定最优网格数量;根据确定的边界条件,利用Ansys CFX进行数值模拟计算,进行内部流场的水力性能研究,研究结果显示水轮机内部流场流态良好,压力分布正常,无明显冲击及涡流,转轮的工作水头为9.32m,转轮的效率达到93.86%,水轮机的工作水头为10.54m,水轮机的整机效率达到83.02%,且输出功率满足要求,证明该水轮机的初步设计是合理有效的。进一步对水轮机进行优化设计,结合参数化建模、敏感性分析、试验设计方法及代理模型拟合,提出一种将Kriging模型与NLPQL优化算法结合的优化方法。采用三维参数化优化方法进行转轮的参数化建模;利用敏感性分析从各参数中选取对转轮效率ηr敏感度较高的参数,确定了变量参数y2、3y、1x′、2x′、3x′、β2、θ′作为转轮的优化变量;利用空间填充拉丁超立方抽样法进行试验设计,取得样本点;选取Kriging模型构建转轮效率的代理模型,研究出结构参数与效率之间的对应规律。再利用NLPQL算法进行优化,优化后的转轮效率提升至95.34%,转轮的工作水头上升至9.69m,水轮机的整机效率提升至84.99%,且水轮机的工作水头上升至10.87m,水轮机的整机效率较优化前提高了1.97%,工作水头提高了0.33m,证明此优化方法的可行性。最后对水电混合动力水轮机的混动控制策略进行研究,根据设计的电力部件的结构组成,基于水轮机的自适应性进行多工况点数值计算,确定工况内水轮机的性能曲线,并对工作水头H和输出功率P进行函数拟合,获得流量Q-工作水头H及流量Q-输出功率P表达式,最后结合风机的工作特性,计算求解获得电力部件的补偿功率?P表达式及工况范围内的混合动力区间,并提出用于水电混合动力水轮机混合动力区间内的水电混合控制方程及混动控制策略。