低比转速排污泵广泛应用于城市排污及一些国家重大战略工程。但由于传统排污泵存在效率低、污物通过能力弱及容易过载等问题,严重制约着行业的发展。因此,本文在国家“863”计划项目资助下,基于理论分析、数值计算与实验研究相结合的方法,对低比转速无过载排污泵的设计方法与内部流场结构进行了系统的研究。本文的主要研究内容和取得的主要创造性成果有：1.通过对低比转速离心泵的设计理论、无过载离心泵及排污泵设计方法的研究,首次分析并总结出影响低比转速无过载排污泵功率曲线的关键因素,即叶片流道进出口有效过流断面面积比。通过采用收缩型流道设计方法设计排污泵叶轮,试验表明,其效率指标超过国家标准5个百分点,且功率曲线出现了明显的极值点。2.设计了叶片流道进出口有效过流断面面积比F2/F1小于1、等于1和大于1的三种排污泵叶轮。同时进行了泵段改造与PIV试验台搭建。3.采用六面体结构化网格对全流场进行了非定常数值计算,研究了不同面积比叶轮对外特性、内部流场结构及压力脉动的影响。结果表明只有采用收缩型流道设计的叶轮取得了较好的无过载特性,但由于叶片出口排挤系数大,造成蜗壳内部压力脉动较大。4.外特性实验与PIV内部流场测试结果与CFD数值计算结果较为吻合。在不同叶轮与蜗壳匹配情况下,对设计工况附近叶轮内部速度分布、出口流动形式与内部脱流及旋涡做了系统的研究,并对蜗壳不同断面与隔舌附近的流场进行了详细阐述。同时,还对不同叶轮在极小流量下叶轮流道内旋涡的形成过程与成因进行了探讨。研究结果为排污泵的理论分析及优化设计提供了参考。5.针对采用收缩型流道设计的叶轮加剧蜗壳内部压力脉动问题,设计了三种不同基圆直径的蜗壳,并进行了数值计算与PIV实验研究。结果表明,基圆适当增加有利于减小其内部压力脉动,当基圆增加到一定程度以后,对压力脉动的影响很小,但能够增加蜗壳第九断面附近流动的均匀性与稳定性。6.在不同叶片出口安放角下,分别设计了五种叶片流道进出口有效过流断面面积比叶轮,在排除蜗壳影响的情况下,采用相同计算方法进行了数值模拟,对其外特性进行统计,并绘制成相应图表,形象地给出了叶片出口安放角及进出口有效过流断面面积比对泵功率曲线的影响趋势,为无过载排污泵的设计提供了参考依据。7.根据研究结果重新设计了两台不同设计参数的样机,并对其进行外特性实验,结果两台样机都出现明显的功率极值点,验证了研究成果的正确性及适用性。8.首次提出先确定子午面视图,再确定叶片骨线,并以叶片骨线为中心向两边等距离的加厚方式,通过调整叶片的厚度来控制F2/F1比值的低比转速无过载排污泵叶轮设计方法,不仅简化了设计,而且具有较优的水力性能,对工程实际具有重要的指导意义。