螺旋离心泵是一种防堵塞性能优秀、高效区宽广以及功率曲线平坦的单叶片杂质泵,主要应用于食品输送、污水处理和制浆造纸领域。但该泵运行过程中振动噪声问题较为严重,设计方法也尚不成熟,如何提高水力性能的同时缓解振动噪声已成为螺旋离心泵研究的重要课题。本文通过数值模拟对螺旋离心泵的设计方法、流致振动噪声以及性能优化三个方面进行研究,主要的研究工作和创新点如下:(1)提出一种基于CFturbo和SolidWorks的螺旋离心泵设计方法,该方法能够明显简化设计流程,数值计算显示该方法设计的螺旋离心泵优化后设计工况点的水力效率达到78.54%,最佳工况点达到81%,水力性能较好。(2)使用CFX16.0计算和分析螺旋离心泵的内流场。发现叶轮的螺旋段为主要做功段,小流量工况点蜗壳内的高压流体会向叶轮的螺旋段回流,严重影响泵的水力和振动噪声性能。蜗壳内的压力分布不对称,叶片出口边靠后的区域存在回流涡,引起能量损失和明显的振动噪声,随着流量增大回流涡缩小并向隔舌方向移动。(3)分析压力脉动和径向力的频率特性。发现压力脉动主峰位于叶频处,旁峰位于2至4倍叶频处,高频几乎没有脉动信号。1.0Q和1.2Q工况点压力脉动值较小,小流量工况点脉动幅值明显增加。径向力特性与压力脉动类似,脉动信号主要集中在低频段。1.2Q工况下径向力最小,流量越小径向力越大,当流量减至0.6Q时,径向力主峰幅值会增至设计工况点的8倍,次峰增至5倍,导致明显的振动噪声。(4)使用LMS Virtual.Lab计算和分析螺旋离心泵内声场噪声。发现叶频为内声场噪声的主频,最大声压值随着频率的增加而减小。从蜗壳偶极子噪声来看,设计工况点声压值最小,偏工况点声压值增大,主要表现为叶频及2倍叶频处声压值不变,3倍叶频处的声压值明显增加。从叶片偶极子噪声来看,0.8至1.2Q工况点高声压区分布差异较大,但声压值没有明显差异。认为动静干涉以及回流是内声场噪声的主要来源,大流量工况点动静干涉位置的高声压区扩大,回流位置的高声压区缩小;小流量工况点动静干涉位置的高声压区缩小,回流位置的高声压区扩大。(5)基于声振耦合方法计算和分析外声场辐射噪声。发现外声场噪声为宽频噪声,声功率主频为叶频,1至7倍叶频处声功率呈单调下降趋势,8倍叶频后声功率基本维持不变。1.0Q工况下外声场最大声压值最低,0.8Q和1.2Q工况最大声压值增大。0.8Q声功率最弱,流量越大声功率越强。动静干涉是叶频外声场噪声的主要成因。回流和动静干涉是2倍及3倍叶频外声场噪声的主要成因,其中隔舌区域声压值最大。噪声主要往泵进口方向辐射,泵后方声压值较小。(6)从水力性能和流致振动噪声方面对叶轮进行优化。本文分别将叶片出口边切割成斜角边和圆角边,发现出口边切割后扬程下降,但水力效率明显提升,其中圆角出口边叶轮效率比未切割叶轮提高5%,但没有降噪效果;斜角出口边叶轮效率略低于圆角出口边,降噪效果较明显,但扬程损失较大。推断扩大切割面积能够达到减振降噪,但需要注意切割量。(7)从动平衡方面对叶轮进行优化,缓解叶轮高速旋转产生的惯性力引起的振动噪声。本文利用SolidWorks Motion计算叶轮干态运行下的动不平衡质量及其相位角,然后将不平衡量分解至叶片不同区域,通过等厚调节配重区域叶片背面厚度以及在轮毂末端面钻孔的方法进行配重。本文经过两次配重便将叶轮的不平衡量降至G6.3以下。