随着我国水利事业的发展和南水北调工程的不断推进,出现了越来越多大流量、高扬程的调水场合。现有的轴流泵流量大但扬程较低、很少超过10.0m,而且在偏离设计工况点后空化性能恶化。为了改进轴流泵的性能,适当提高单级泵站的扬程,研究一种新的泵型,即双叶轮串列式轴流泵。双叶轮串列式轴流泵由两级叶轮加导叶组合而成,与双级轴流泵相比,减少了中间一级的导叶。本文利用数值分析的方法对双叶轮串列式轴流泵的水力性能和内部流动进行数值分析。基于Isight平台,应用试验设计的方法,对相同叶轮串列式轴流泵的结构参数进行优化;同时设计了不同叶轮串列式轴流泵,结合梯度优化算法对其设计参数进行优化。研究的主要内容和结论如下:1.利用数值计算的方法分析相同叶轮串列式轴流泵水力性能。研究表明:其外特性和理想结果差距较大,流量较小时扬程有所提升,但随着流量的增加差距逐渐减小,且效率明显低于单级泵,效率最大差约有5%。同时前叶轮对泵做功起主要作用,后叶轮几乎不做功甚至作负功,其内部流动也相对较差。2.通过试验设计的方法,改变其前、后叶轮角度,轴向距离和周向偏角,以提高相同叶轮串列式轴流泵的性能。在这过程中,提出了针对各结构参数的参数化建模方法,并利用Matlab编辑程序调整叶片安放角度。经过两次优化,相同叶轮串列式轴流泵的水力性能得到一定改善,其扬程提高了约0.54m,效率提高了 3%,但仍与理想效果有着较大差距。3.对相同叶轮串列式轴流泵试验设计结果进行回归分析,研究其结构参数对其性能的影响。研究表明:结构参数相同叶轮串列式轴流泵对其性能影响很大,其中后叶轮角度影响最大,其次是前叶轮角度,再其次是周向偏角,影响最小的是轴向距离。4.研究了不同叶轮串列式轴流泵的设计方法。对其前、后叶轮的进出口三角形及前后叶轮载荷分配、轮毂比、叶栅稠密度、前后叶轮叶片数、翼型厚度及前叶轮周向偏角等几何参数进行了研究。5.针对前、后叶轮载荷比分配设计了三组叶轮,利用Matlab编辑程序实现前、后叶轮叶片的自动设计及参数化造型。同时利用Isight对三组叶轮的前、后叶轮叶栅稠密度和前叶轮周向偏角进行优化。6.经过对不同叶轮串列式轴流泵的优化设计,对比发现前叶轮载荷较多的方案,水力性能明显较好,说明双叶轮串列式轴流泵设计时,前叶轮应分配更多载荷。选取该方案进行进一步的数值分析,深入研究其水力性能及内部流场,得到以下结论:不同叶轮串列式轴流泵扬程和效率离理想效果有一定的差距,但较相同叶轮串列式轴流泵有着极大的提升。优化完成的双叶轮串列式轴流泵扬程约为所设计单级泵的1.6倍,高效区约为普通轴流级泵的2倍,轴功率曲线变得更加平坦,具有良好的调节性能。其前、后叶轮的能量特性也发生了显著改变。