多级离心泵是一种至少串联两个叶轮的高扬程离心泵,由于运行条件的变化需要频繁启动,在启动过程中工况参数急剧变化,内部流体的非定常流动同时包括了由于内部转子与定子之间相对位置周期性变化和压力场边界变化而引发的流动变化。多级离心泵复杂的结构加之内部流体的强烈非定常流动,运转往往受力情况复杂且伴随着振动,甚至会对设备造成冲击破坏,严重影响到多级离心泵的使用安全和寿命。鉴于目前对于多级离心泵启动瞬态流动的研究理论的缺乏,分析启动过程中瞬态水力和结构动力特性对于多级离心泵运行的安全可靠性具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以型号TDM 35-140×13节段式多级离心泵为研究对象,将启动过程分为闭阀过渡和开阀过渡两个阶段,对该低比转速多级离心泵水力优化设计及两个启动阶段水动力瞬态特性展开研究。主要研究内容和成果如下:(1)基于遗传算法建立以一级泵单元的总功率损失、理论扬程曲线斜率倒数、总水力损失为三个分目标函数的优化数学模型,通过性能参数以及叶轮几何参数之间的相互制约关系设定约束条件,确定最佳叶轮几何参数最佳组合。对比分析速度系数法设计的离心泵水力性能,最终确定符合设计要求的离心泵水力模型。(2)建立该多级离心泵整机流体域模型,分别对两个启动阶段瞬态操作过程进行数值模拟,揭示两种瞬态操作过程中外特性随时间变化规律及内流场的演化特征。通过对比分析两个启动阶段瞬态过程与对应时刻同等转速和同等流量定常状态下的外特性和内流场,阐释启动瞬态过程和对应时刻定常状态的流动特性差异,探究两个启动阶段过程中瞬态效应对水力性能的影响。(3)运用模态分析方法预测多级离心泵在空气中的自由振动、空转工况和设计工况这三种不同情况下的转子固有频率的变化规律。针对闭阀阶段启动过程的温度上升和开阀阶段启动过程的流量增加现象,采用流固热耦合的方法获得温度和流量对叶轮的变形影响规律。(4)通过向多级离心泵叶轮“湿”表面加载启动过程中瞬态流场压力的方式,获得闭阀过渡和开阀过渡两个启动阶段多级离心泵叶轮的瞬态变形规律。通过向多级离心泵泵轴与叶轮圆柱接触面加载闭阀过渡启动过程中瞬态x方向的径向力F_x和y方向径向力F_y的方式,对泵轴的稳定性展开瞬态动力学分析,获得在闭阀过渡启动阶段泵轴不同节点处的变形和振动速度随时间的变化规律。