近年来随着海上平台石油开发、大型码头等工程的兴起,立式长轴消防泵的需求量不断增加,这也对其性能提出更高的要求。受潮汐、海浪、台风等影响,立式长轴消防泵在高淹没深度无空化激励的条件下,电机功率随着流量的增大而极剧增加,存在电机功率过载的危险;又因该类装备动力系统复杂,烧毁损失巨大,所以通常采用较大安全系数配套,不过因此也存在着能源浪费的问题。采用离心泵无过载理论进行设计,可以在水力设计阶段控制功率极值,减小配套功率,节约成本,提高设备的运行可靠性。因此,研制具有无过载性能且高效的立式长轴消防泵具有重要的科研价值和实际应用意义。目前,国内针对水泵无过载性能的研究主要集中于低比转速离心泵,关于立式长消防泵的相关研究较少,对其无过载特性的研究仍为空白。本文基于离心泵无过载理论,采用CFD数值模拟计算、粒子群算法（Particle Swarm Optimization algorithm,PSO）、数值模拟与试验相结合的方式,对立式长轴消防泵进行无过载优化设计,然后对优化前后模型的外特性、内流特性和压力脉动特性进行对比分析,并将优化模型的叶轮应用在多级立式长轴消防泵中。本文的研究内容和创新成果如下:（1）总结了立式长轴消防泵研究现状以及离心泵无过载优化设计的的国内外研究现状。总结了常用的泵优化设计方法及其对性能的影响程度,着重分析了PSO算法在泵性能优化中的应用现状,可知应用合理的PSO算法优化方法优化泵几何参数可提高泵的水力性能,满足设计要求。（2）介绍了PSO算法的原理及结构,根据立式长轴消防泵性能数值模拟周期长和优化目标精度较低的特点,采用动态调整的惯性权重和异步学习因子的算法参数的方法对标准PSO算法进行修正。应用5种经典数学函数对改进PSO算法、标准PSO算法和遗传算法进行测试,结果表明改进PSO算法可以提升收敛速度和精确度,更适合泵性能优化问题。（3）选取一台比转速为137的立式长轴消防泵作为研究对象,采用CFX17.0对该模型泵进行性能预测,并用外特性试验的方式验证了模拟结果的可靠性,试验值与数值计算值表现出了良好的一致性。在额定工况1.0Qd下,轴功率误差2.00%,效率误差5.93%,扬程误差3.81%。在额定工况1.0Qd时,流体在叶片出口处与后半段出现分离现象,对效率影响较大;流量增大到1.5Qd时,流体在叶片出口分离现象更加严重,针对后续优化工作考虑改善叶片进出口安放角度以及包角等参数来改善流动情况。（4）结合离心泵无过载理论,分析立式长轴消防泵的无过载优化问题从而确定叶片厚度、叶片进口三流线的三个安放角度、叶片出口安放角度、叶片包角的6个优化参数以及优化范围,对最优拉丁超立方方法选取的28组样本建立KRIGING近似模型,通过改进PSO算法对立式长轴消防泵叶轮参数的KRIGING近似模型进行多参数优化,得到的优化方案在大流量工况1.5Qd内实现了无过载特性,并且在额定工况1.0Qd效率值提高1.63%,扬程提高0.39m。（5）对优化方案进行内流特性分析,通过分析优化前后外特性和内流场的变化获得参数对目标影响的规律,并对优化前后模型进行非定常计算,分析1.0Qd和1.5Qd工况在一个旋转周期内叶轮流道和叶轮与导叶之间过渡段的流场变化规律。然后对叶轮流道和叶轮与导叶之间过渡段中所设置监测点的压力脉动现象进行对比分析,探究优化方案在1.5Qd内实现无过载特性的机理。（6）提出首级叶轮控制功率特性的设计理念,为立式长轴消防泵无过载设计提供了一个新设计思路。将原方案与优化方案的叶轮组合成为立式长轴多级泵,对比多个组合方案外特性和内流场的变化,两级最佳无过载组合方案为首级叶轮为优化方案无过载叶轮、次级叶轮为原方案高效叶轮,三级最佳无过载组合方案为首级叶轮为优化方案无过载叶轮、次级叶轮和末级叶轮均为原方案高效叶轮。