高速井泵具有结构轻便、性能优越等优点,通过提高转速,实现了其水力性能的大幅提升,同时泵体的体积和重量也得到了缩减,这大大降低了制造成本。近年来,高速井泵凭借其特殊性能,被广泛地应用于农田灌溉、城市供水、能源开采等各个行业。然而转速的大幅提升,对高速井泵的水力设计、转子稳定性以及整机可靠性等提出了更高的要求。本文以100QJ10高速井泵为研究对象,采用正交优化试验,获得了性能最优的模型。对不同转速下的优化模型进行定常和非定常计算,获得了不同转速下优化模型的外特性及径向力趋势。运用SAMCEF软件分析了优化模型转子在“干湿态”下的临界转速及振型。同时研究了不平衡质量及相位、启动时间、口环动特性以及流体激振力对瞬态响应和谐响应的影响。此外,还通过对初始模型和优化模型进行外特性试验验证了数值模拟结果的可靠性。本文所做的主要工作有:1.总结归纳了深井泵、高速泵及转子动力学的国内外研究现状,分析了高速井泵的研究背景及工程意义,并通过研究技术路线图指出各章主要研究内容。2.利用ANSYS软件对100QJ10型高速井泵的三级简化模型进行了正交优化试验,采用7因素3水平的正交表获得了标准工况下的最优模型,并对最优模型进行九级泵体的全流场数值模拟,同时将初始模型和优化模型的外特性模拟值与试验数据进行对比,证明数值模拟的可靠性。结果表明:优化后的高速井泵泵体内无旋涡,能量损失小,进出口压差大,其扬程得到了极大的提高。叶片出口安放角和叶轮出口边的斜切角度对高速井泵的效率、扬程影响较大。3.对优化模型分别在五种不同转速方案下进行多工况数值模拟,以获取转速对该模型性能的影响规律。同时选取转速分别为3000r/min、6000r/min、9000r/min的三种方案进行非定常计算,获得其径向力分布。通过对比分析发现:转速越高,高速井泵的水力性能越好。但转速过高会导致功率增大,径向力也会增大,这对转子系统的稳定性是不利的。4.采用SAMCEF软件对高速井泵转子部件在一维、二维、三维三种模型下进行临界转速计算,对比分析不同模型下的临界转速以及振型。结果表明:三种模型下的临界转速差异不大。“湿态”下考虑口环密封力后,临界转速略有增大,振动幅值减小,说明口环能提高高速井泵转子的稳定性。5.通过瞬态响应分析,对高速井泵转子系统各级叶轮进行对比,研究发现最大径向位移发生于第四级叶轮处。之后以第四级叶轮作为研究对象,分别研究其在“干态”及“湿态”下的变化规律。在“干态”下通过改变不平衡质量以及启动时间,发现不平衡质量对转子系统的稳定性影响较大,径向位移随着不平衡质量的增大而增大。此外,启动过快会造成高速井泵的不稳定运行。在“湿态”下,发现叶轮口环对高速井泵转子系统的稳定性具有积极作用,能有效减小径向位移。加载激励力后,转子的稳定性大幅降低,径向位移有了明显增大,并且轴心轨迹也变得更为杂乱。6.对高速井泵进行谐响应分析,分别求解“干湿态”下高速井泵的加速度幅值以及位移幅值。“干态”下对各级叶轮进行对比,发现最大振幅发生在第四级叶轮处。并对第四级叶轮不同不平衡质量相位下的振动幅值的变化进行研究。“湿态”下考虑口环密封力对第四级叶轮的影响。结果表明:不平衡质量相位的改变会对转子的稳定性产生影响,随着相位的增大振动幅值降低。口环的存在极大地提高了转子系统的稳定性,降低了位移幅值和加速度幅值,一阶涡动频率也有所提升。