有着“核岛心脏”之称的核主泵是我国三代压水堆CAP1400核电机组唯一不能国产化的装置。而叶轮和导叶(水力模型核心部件)是核主泵内部最重要的过流部件,其设计的优劣直接决定着核岛的服役寿命。为达到高效率、大扬程、低压力脉动强度等运行指标要求,核主泵叶轮和导叶在结构上呈现流道曲率变化大、叶片三维结构复杂等特点,相关优化体系中的二元叶片设计方法难以表征这种结构的新变化。而在优化设计过程中,约束性设计方法是第一步,在设计体系中起到基础性、决定性作用。因此,基于叶轮机械原理重构新的高效约束性设计方法是优化设计体系研究的重点和难点。高效的约束性设计方法理应能在尽可能少的设计参数下得到结构多变的高性能设计结果。按照设计次序和介质的过流顺序,核主泵叶轮和导叶的设计包括四个基本因素:Ⅰ.流道设计;Ⅱ.叶轮叶片设计:Ⅲ.导叶叶片设计;Ⅳ.特殊结构设计。本文围绕着这四个方面进行了深入的研究,物理建模并结合数学推导构建了核主泵水力模型核心部件的设计方法体系,并以国家科技重大专项CAP1400核主泵水力模型最终方案为对象,进行了对照测试。主要工作内容有:(1)流道约束性设计方面,为解决传统方法中的盘、盖侧型线非同步调整、过渡段不光滑、偏离设计目标等问题,从中轴变换(Medial Axial Transform)理论出发,结合已有的约束条件简化、并得到了一种新型流道约束性设计方法。在新的设计方法中,针对约束条件不封闭的情况,构建了两类使得设计方程组封闭的辅助约束条件,并分别应用粒子群算法和显式表达式实施流道的成型设计。流道设计方法有两方面的应用。首先,基于流道约束性设计新方法开发了一套水泵轴面流道快速成型设计程序,在所开发的设计程序中,以仅有的7组经典叶轮流道为基础,能够快速设计出比转速为30至500区间内的任意叶轮流道结构。其次,基于流道约束性设计新方法提出了一种核主泵高效低轴向载荷改型策略,仅需控制3个变量、15组采样数据,便可实现对核主泵水力模型的高效、低轴向载荷快速改型设计。(2)叶片约束性设计方面,为解决传统方法中设计变量个数多、变量范围不明确、优化预设值依赖设计经验等问题,研究依次确定了叶轮叶片的关键设计变量——速度环量以及导叶叶片的关键设计变量——安装角。文献调研结合经典结构参数信息的统计结果明确了这两个关键设计变量沿流向均呈递增趋势,构建了无量纲化的多源约束性设计方程组,进行了一系列数学简化并得到了用于设计变量高效生成的船帆状限定域。基于叶轮叶片和导叶叶片归一化约束性设计的船帆状限定域和粒子群算法,分别开发了一套叶轮叶片和一套导叶叶片动态伴随寻优设计程序。以国家科技重大专项CAP1400核主泵水力模型中的叶轮叶片、导叶叶片为参考对象,应用所开发的设计程序进行了验证测试:在叶轮叶片设计中,正倾角、零倾角和负倾角三种情况下的设计结果均表明所开发的动态寻优设计程序能够设计出性能优于目标叶轮的新结构;在导叶叶片的设计测试中,优化结果相较于目标结构依次提升了 0.7%和1.8%的效率和扬程特性。证明了叶片约束性设计方法和所开发的叶片动态伴随寻优设计程序的有效性。(3)核主泵水力模型开发流程方面,基于归一化约束性设计的船帆状限定域,探究了叶轮和导叶对核主泵定常、非定常性能的影响程度。在明确了导叶影响要高于叶轮之后,得出水力模型开发过程中“叶轮可独立设计、导叶需适配叶轮和压水室”的设计准则,并实例设计了新的水力模型结构,通过与国家科技重大专项CAP1400核主泵水力模型在性能特性、静压分布、湍动能分布等方面的对比,明确了所开发的模型结构的高性能,实例证明了研究所提的核主泵水力模型开发流程的可行性。(4)特殊结构设计方面,为了适应核主泵整体非完全圆周对称的结构特征,这里构建了一种调整导叶叶片布局的对称式-非均布导叶结构及相应的约束性设计方法。该方法既考虑了导叶叶栅距离又考虑了导叶的装配位置,并能够表征包含常规均布导叶结构在内的多数设计情况。联合应用多目标优化设计方法实施了对称式-非均布导叶结构的优化设计,在获得了最优结构同时,还探究了设计参数对性能的影响规律。数值证明了优化后的新型导叶结构能够有效提升核主泵在0.8～1.2设计流量的性能;并能有效改善泵出口段的非定常压力脉动特性。最后,在国家工业泵质量监督检测中心搭建试验台并对上述关键研究结论进行了系列组合验证试验:定常性能测试、非定常的压力脉动和振动加速测试结果证明了应用研究中所提的约束性设计方法来进行核主泵水力模型核心部件研发的可行性。