伴随着现代工业的迅猛发展,油气资源作为现代工业的“血液”,其需求量与日俱增,陆地油气资源开采已经渐渐难以满足现代社会运行的需求,出于战略层面等多方面考虑,海上油气资源已经越来越受到社会各界的重视,潜油电泵作为海上油气开采环节的重要设备,其应用也变得越发广泛。潜油电泵因其排液量大,操作简单,维护管理方便等优点,在人工举升领域中备受重视。由于其实际工况的特殊性,其结构尺寸和设计形式也受制于井眼尺寸,同时为了使得泵出油液具有足够的扬程,潜油电泵还具有小尺寸、多级数的特点。尽管如此,潜油电泵的本质依然属于多级离心泵范畴,扬程和效率两个衡量离心泵工作性能的指标同样适用于潜油电泵。叶轮作为整个潜油电泵中实际和油液作用的部分,其结构形式和结构尺寸对整个潜油电泵的工作性能几乎有着决定性的影响。叶片是叶轮中最核心的部分,叶轮叶片在径向和轴向都有扭动,形状比较复杂,不同的叶片形状和参数决定了潜油电泵叶轮的不同工作性能。因此,对叶轮的设计与优化分析对提高潜油电泵的性能有着举足轻重的作用。然而,用于描述叶轮包括叶片形状的结构参数多达十几个,他们对叶轮性能的影响程度各有不同,同时很多参数之间还并非完全独立,等等这些因素给叶轮的设计和优化都赋予了极大的挑战。本课题中,针对潜油电泵叶轮设计的复杂性和特殊性,通过调研大量国内外文献,收集相关设计情报,研究学习了叶轮相关的设计理论、计算流体力学、试验设计方法以及寻优计算等相关知识,并借用相关手段,构建了一套较为系统的从叶轮结构设计、性能分析到优化研究的方法。其具体的实现过程如下:(1)通过现有的速度系数法,根据现有的设计参数初步计算得到叶轮的主要结构参数,并估算其效率和扬程确认满足设计参数,并结合实际工作条件,确定叶轮初始尺寸;(2)基于三维建模软件和CFD技术,对模型进行仿真分析,并通过敏感性分析方法逐个分析叶轮重要的结构参数,确定各项参数的敏感程度,筛选出对叶轮扬程和效率影响显著的参数作为优化设计变量;(3)以筛选出来的敏感程度较高的结构参数以及叶轮叶片的进口和出口安放角作为设计变量,以潜油电泵叶轮的扬程和效率作为优化目标,通过Box-Behnken的响应面试验方法,设计试验方案,并建立优化目标与设计变量之间的响应面模型。根据变异系数、复相关系数以及修正复相关系数、预测-仿真分布以及残差正态概率分布对响应面模型进行评估,验证该模型的可行性;(4)运用罚函数法对响应面模型进行寻优处理,获得最优参数组合,确定优化后的叶轮模型,并对优化前后的叶轮水力性能进行对比分析。结果表明,优化后的叶轮水力性能得到了有效改善,效率和扬程均有了一定幅度的提升。由于叶轮的尺寸参数对其水力性能的影响规律十分复杂,要寻找各项尺寸参数与水力特性之间的真实物理关系式更是难上加难。然而,利用该设计思路绕开了这个难题,巧妙地结合了数理统计的方法达到了同样的效果。因此,本文的研究工作为潜油电泵叶轮的优化设计提供了一套新的思路。