近年来,随着变频技术的日益成熟和对节能减排的日益重视,社会生产中电耗占比极大的水泵产品,越来越多采用了调速驱动。调速意味着工况改变,而大型轴流泵使用变频调速技术的工程案例并不多见。其水力特性,尤其是小流量高扬程工况的非稳定状态及大流量工况的空化及流动分离特性,极大地制约了轴流泵的工况调节范围。因此,研究轴流泵非设计工况的内部流动特性,提出改善方法,拓宽轴流泵的使用范围,具有重要的理论和实际意义。本文通过分析轴流泵非设计工况的内部流动特性寻求改善方法,通过PIV与数值模拟相结合的手段,对比转速700与比转速1000的两台轴流泵进行了内流特性分析。通过数值模拟与试验台试验相结合的方法研究了两种轴流泵不同流量时的扬程与效率,探析了非设计工况轴流泵的外特性与内部流动的关系。然后从叶轮进水、出水结构着手分别提出了流动性能改善方案。其中进水结构采用了“双进口”方案。叶轮出口与导叶进口相连,叶轮出水即进入导叶体内,本文对出水结构采用了“导叶体双层流道”方案。两种结构在几何上均表现为加装了一个筒形分隔板,分别位于叶轮前和叶轮后。结构具有一定的尺寸要求,二者均可以改善轴流泵非设计工况下的内部流动,提升泵的性能,扩展泵的安全运行流量范围。最后通过真机试验完成了出水结构的有效性验证。取得的成果如下:1)通过轴流泵叶轮前流动现象的对比分析,提出了双进口结构。小流量工况时该结构可以有效抑制轴流泵叶顶泄漏在叶轮前形成涡旋,改善叶轮进口的流场,提高主流速度从而提高扬程,在流量-扬程曲线上表现为降低不稳定流量区间曲线的正斜率。而设计工况和大流量工况时,双进口间隙内的流动与主流流动方向一致,扬程与普通泵时相当。本文选取了2个关键几何参数作为变量,比较了不同几何参数对轴流泵外特性的影响,并根据数值模拟产生的流量-扬程曲线,用基于支持向量机（SVM）的算法对几何参数其他组合情况的曲线结果做了预测。结果表明双进口内筒末端离叶轮进口边的距离应不大于叶轮直径的2.5%,双进口内筒与进水管之间的间隙应不小于叶轮直径的1.75%。2)根据叶片出口边速度三角形和流动分离条件分析,提出了一种创新性的轴流泵导叶体双层流道结构。与叶轮前双进口不同,双层流道结构的位置在叶轮后且靠近轮毂侧。双层流道的内筒末端到叶片出口边的距离应小于叶轮直径的2.5%,内筒与导叶轮毂体之间的间隙不超过流道宽度的50%,且内筒伸入导叶体的距离不超过导叶轴向长度的1/4。流动分析和基于熵产理论的能量分析表明该结构在小流量时可以有效抑制叶轮后回流的发生,减轻涡旋数量与强度,从而改善叶轮后的流动,提高小流量下的扬程。在大流量时,双层流道间隙内的流动与主流方向一致,筒形隔板在导叶流道内起到导流作用,减小了涡旋影响区域,提升了主流速度。主流道内速度分布更加合理,从而减少了后续流动的层间影响,抑制了导叶出口后扩散管的边界层流动分离,扬程与效率得以明显提升。本文用间隙与流道宽度的比例系数作为双层流道的变量参数,研究了间隙系数分别取1/3、1/4和1/5时轴流泵外特性的变化,系数取1/3时的扬程提升效果最好,最高效率点的扬程提升率为8.75%。3)双进口在两个不同比转速轴流泵上均表现出流动调控效果。考虑到进口形状对流动也有影响,对比转速1000轴流泵除了双进口的结构尺寸外,还对进口形状做了对比。研究表明喇叭形和圆筒形两种形状的双进口都有流动改善作用,喇叭形双进口比圆筒形双进口在小流量区域的扬程更高,但小流量时两种形状的扬程差别在3%以内。本文对加装双进口后轴流泵的空化性能也进行了研究,得到的扬程-有效空化余量曲线显示双进口可以提升轴流泵的抗空化性能。