本文是在国家杰出青年基金项目“离心泵基础理论和节能关键技术研究”(编号:50825902)、国家自然科学基金项目“带分流叶片离心泵流固耦合诱导振动特性研究”(编号:51009072)和公安部应用创新计划项目“灾害事故现场低水位水源利用和尾水处置技术研究”(编号:2011YYCXSHXF156)的资助下开展工作的。　　 消防部队在灭火作业过程中往往遇到供水困难的问题，火场附近的消火栓无法提供充足的水源，有些火场周围甚至没有消火栓，这时就需要利用江、河、湖、井等天然水源进行消防供水。由于这些天然水源的水位较低，一般的供水装置如手抬泵、浮艇泵等无法进行供水作业，因而消防水轮泵成为低水位水源供水的主要手段。但由于现有的消防水轮泵水轮机部分或水泵部分的设计不合理，造成了机组效率偏低，能量损耗较大。针对这种现状，本文以设计高效率消防水轮泵为目的，通过归纳水轮泵的设计方法，找到了影响消防水轮泵效率的主要因素，进行了高效消防水轮泵的设计。采用数值计算与试验验证相结合的方法，研究了所设计的模型水轮泵的能量特性，验证了高效率消防水轮泵设计方法的正确性，解决了消防水轮泵效率低的问题。　　 在模型水轮泵的试验研究中，机组发生了一定程度的振动。针对此问题，本文采用CFD数值模拟的方法，开展了机组运行稳定性分析，研究了消防水轮泵内部压力脉动特性和过流部件的径向力特性，找到了引起机组振动的主要压力脉动源和径向力来源。主要创新研究有:　　 1.发现了设计高效消防水轮泵的关键在于水轮机部分的设计。水轮泵的效率主要是由水轮机效率和水泵效率决定的，高效率的水轮机和高效率的水泵才能得到高效率的水轮泵。通过对比常规水轮泵和消防水轮泵的设计，发现消防水轮泵是用“小流量高水头”的水源换取“小流量适当水头”的水源。故水轮机部分属于低比转速微型水轮机，高效低比转速微型水轮机的设计难度较大;而水泵的比转数相对较高，易于设计。　　 2.设计了一台高效消防水轮泵样机，提出了卧式水轮泵的结构型式。通过总结归纳消防水轮泵的三种主要设计方法（水力计算法、模型换算法和匹配计算法），得到了水轮机比转速与水泵比转数的关系表达式。基于水轮机与水泵的关系式，参考相近性能的水轮机模型和水泵模型，进行了水轮机部分和水泵部分的水力设计。由于现有的消防水轮泵是立式结构，连接水带沿轴向分布，这就造成水轮泵工作时连接水带易发生扭变的问题。本文提出的水轮泵卧式结构将水轮机和水泵的进出口方向设计为径向，保证了连接水带的使用可靠性。　　 3.搭建了消防水轮泵试验平台，进行了水轮泵样机能量特性的数值预测与试验测试。针对消防水轮泵的动力来源于车载消防泵提供的水源，建立了由消防车与水轮泵水轮机部分组成的动力水循环回路;通过控制消防水轮泵水泵部分的进口压力，测试不同水位水源中水轮泵的能量特性。结果表明模型水轮泵在测试工况下的机组效率均在40％以上，比现有的消防水轮泵效率高出10％左右。采用数值模拟预测了水轮机工作特性和水泵的能量特性，通过与测试结果进行对比，验证了数值计算结果的可靠性，为进一步分析样机的稳定性提供了基础。　　 4.发现了影响消防水轮泵机组稳定运行的主要压力脉动源和径向力来源。通过在水轮机蜗壳、导叶与转轮间隙、出口处和水泵叶轮与泵体的间隙处设置监测点，发现了引起机组振动的压力脉动频率主要是水轮机导叶与转轮间隙处的中频压力脉动和水泵叶轮与泵体间隙处的低频压力脉动。通过分析消防水轮泵水轮机蜗壳、转轮和水泵叶轮、泵体的径向力特性，发现了水轮机蜗壳内的径向力是引起机组径向位移变化的主要因素;水泵叶轮内的径向力具有周期性的脉动变化，使中心轴产生交变应力作用，造成了定向扰度。