大型特低扬程泵站在水资源调配、水环境改善、城市防洪和农业灌排等工程中应用广泛。特低扬程泵站具有扬程低、流量大的特点,用于调水和水环境改善的泵站还具有年运行时间长的特点。这些泵站对泵装置效率要求很高,并要求泵装置具有结构简单、电机通风散热条件好、安装检修方便、运行维护方便和投资少等优点。适用于特低扬程泵站的特低扬程泵装置具有流道水力损失小、泵装置效率高的优点,其包括水平轴伸泵装置、灯泡贯流泵装置、竖井贯流泵装置和潜水贯流泵装置等4种类型。每种类型的泵装置具有各自的特点,不同型式泵装置的水力性能有何差距、选择何种型式的泵装置应用于特低扬程泵站是需要研究的问题。本文以我国大型特低扬程泵站的建设为背景,对不同型式的特低扬程泵装置分别进行较为深入细致的优化水力设计研究,最大限度地提高其水力性能；在优化水力设计研究的基础上对其水力性能进行比较,并对不同型式特低扬程泵装置的机组结构、安装检修、运行管理及投资等综合指标进行比较研究；力争找出水力性能优异且具有结构简单、安装检修方便、运行管理方便和投资少等优点的特低扬程泵装置。主要研究内容和成果如下：(1)根据特低扬程泵装置进、出水流道的作用和水力设计的要求,提出了泵装置及进、出水流道优化水力设计的目标,并建立了进、出水流道优化水力设计的目标函数。基于泵装置效率与水泵效率及流道效率的关系,指出流道效率与水泵效率同等重要,分析了水泵效率的水平和发展趋势,研究了水泵水力模型测试段与低扬程泵装置中泵段的差别,修正了水泵水力模型测试段效率：研究了流道效率与泵装置扬程和流道水力损失之间的关系,提出了减少流道水力损失是特低扬程泵装置优化水力设计的关键问题,并从降低流速和改善流态的角度提出了减少流道水力损失的具体途径。对特低扬程泵装置优化水力设计的方法进行了研究,分析了泵装置模型试验和泵装置数值模拟研究方法的优缺点,提出了流道模型试验和流道数值模拟的研究方法,研究了几种研究方法相互之间的关系,提出了低扬程泵装置优化水力设计采用“以流道分析研究方法为主、以泵装置整体研究方法为辅,以数值模拟研究方法为主、以模型试验研究方法为辅”的研究方法思路。(2)采用流道数值模拟方法对水平前轴伸泵装置进、出水流道分别进行了三维流动数值模拟和优化水力设计研究,提高了流道的水力性能,并揭示了流道内的水流运动和湍动能分布规律；采用泵装置数值模拟方法对水平前轴仲泵装置优化方案进行三维流动数值模拟,分析了其内部水流运动状态,并验证了流道数值模拟的结果；采用流道模型试验方法对水平前轴伸泵装置进、出水流道优化方案分别进行模型试验,观察了流道内的流态、测试了流道的水力损失,并检验和确认了流道数值模拟的结果。采用流道数值模拟方法对水平后轴伸泵装置进、出水流道分别进行三维流动数值模拟和优化水力设计研究,提高了流道的水力性能,并揭示了流道内的水流运动和湍动能分布规律；采用泵装置数值模拟方法对水平后轴伸泵装置优化方案进行三维流动数值模拟,分析了其内部水流运动状态,并验证了流道数值模拟的结果。在对水平前轴伸和水平后轴伸泵装置分别进行优化水力设计的基础上比较了其水力性能,水平前轴伸泵装置的水力损失小于水平后轴伸泵装置。(3)采用流道数值模拟方法对前置灯泡贯流泵装置进、出水流道分别进行了三维流动数值模拟和优化水力设计研究,提高了流道的水力性能,并揭示了流道内的水流运动和湍动能分布规律；采用泵装置数值模拟方法对前置灯泡贯流泵装置优化方案进行三维流动数值模拟,分析了其内部水流运动状态,并验证了流道数值模拟的结果；采用流道模型试验方法对前置灯泡贯流泵装置进、出水流道优化方案分别进行模型试验,观察了流道内的流态、测试了流道的水力损失,并检验和确认了流道数值模拟的结果。采用流道数值模拟方法对后置灯泡贯流泵装置进、出水流道分别进行三维流动数值模拟和优化水力设计研究,提高了流道的水力性能,并揭示了流道内的水流运动和湍动能分布规律：采用泵装置数值模拟方法对后置灯泡贯流泵装置优化方案进行三维流动数值模拟,分析了其内部水流运动状态,并验证了流道数值模拟的结果；采用流道模型试验方法对后置灯泡贯流泵装置进、出水流道优化方案分别进行模型试验,观察了流道内的流态、测试了流道的水力损失,并检验和确认了流道数值模拟的结果。在对前置灯泡和后置灯泡贯流泵装置分别进行优化水力设计的基础上比较了其水力性能,前置灯泡贯流泵装置的水力损失小于后置灯泡贯流泵装置。(4)分析了前置竖井贯流泵装置进、出水流道的特征,分别建立了进、出水流道的几何数学模型,以实现流道的参数化设计；采用流道数值模拟方法对前置竖井贯流泵装置进、出水流道分别进行了三维流动数值模拟和优化水力设计研究,提高了流道的水力性能,并揭示了流道内的水流运动和湍动能分布规律：研究了流道长度、宽度和高度等3个控制尺寸对前置竖井贯流泵装置进、出水流道水力性能的影响,得到流道水力性能与各控制尺寸变化的关系曲线；采用泵装置数值模拟方法对前置竖井贯流泵装置优化方案进行三维流动数值模拟,分析了其内部水流运动状态,并验证了流道数值模拟的结果；采用流道模型试验方法对前置竖井贯流泵装置进、出水流道优化方案分别进行模型试验,观察了流道内的流态、测试了流道的水力损失,并检验和确认了流道数值模拟的结果。采用流道数值模拟方法对后置竖井贯流泵装置进、出水流道分别进行三维流动数值模拟和优化水力设计研究,提高了流道的水力性能,并揭示了流道内的水流运动和湍动能分布规律；采用泵装置数值模拟方法对后置竖井贯流泵装置优化方案进行三维流动数值模拟,分析了其内部水流运动状态,并验证了流道数值模拟的结果；采用流道模型试验方法对后置竖井贯流泵装置进、出水流道优化方案分别进行模型试验,观察了流道内的流态、测试了流道的水力损失,并检验和确认了流道数值模拟的结果。在对前置竖井和后置竖井贯流泵装置分别进行优化水力设计的基础上比较了其水力性能,前置竖井贯流泵装置的水力损失小于后置竖井贯流泵装置。对前置竖井贯流泵装置进、出水流道的流场进行了多角度的详细剖析,研究表明其具有优异水力性能的原因是因其具有优异的内特性。采用泵装置模型试验方法对前置竖井贯流泵装置的水力性能进行了测试,前置竖井贯流泵装置在设计扬程工况(设计扬程3.1m、设计流量33.4m3/s)和平均扬程工况(平均扬程2.7m、设计流量33.4m3/s)时的泵装置效率分别达83.11%和83.02%,临界空化余量分别为4.63m和4.28m,泵装置水力性能十分优异。(5)在对不同型式特低扬程泵装置分别进行优化水力设计研究的基础上,对其水力性能进行了定量比较,按流道水力损失从小到大排依次为前置灯泡贯流泵装置、前置竖井贯流泵装置、后置灯泡贯流泵装置、水平前轴伸泵装置、水平后轴伸泵装置和后置竖井贯流泵装置。对水平前轴伸泵装置、后置灯泡贯流泵装置和前置竖井贯流泵装置等3种型式泵装置的泵装置效率和土建尺寸、泵组结构、轴承受力条件、电机散热冷却、设备投资、安装检修及运行维护等综合指标进行了比较研究,比较结果表明：前置竖井贯流泵装置在特低扬程条件下获得了十分优异的水力性能,并具有结构较简单、电机通风散热条件较好、安装检修较方便、投资较低和运行维护较方便等优点。前置竖井贯流泵装置在特低扬程泵站中具有十分广阔的应用前景。