核电相比传统能源具有高效、清洁和可持续的优势,在保障核电站安全运行的前提下,充分发挥核电优势可以更好地满足国家电力需求的快速增长,因此对事故工况下核电站的安全可靠性研究是当前我国核电技术研究的重要课题。核主泵是核电站的核心设备,其在核反应堆冷却回路系统中扮演着重要的角色。当事故导致核主泵失去外部动力时,机组储存的转动惯量会驱动核主泵进行惰转,但如果惰转时间低于安全评价标准则会导致系统丧失冷却循环,使核反应堆处于危险之中。其中,核主泵惰转工况最主要的安全评价标准为回路流量降至额定工况一半的最短持续时间,该时间点发生在非线性惰转过渡过程。因此,对于核主泵惰转过渡过程的研究有利于保障核电安全可靠性。导叶的主要作用是改善流场和减小蜗壳内流动损失,为了降低核主泵惰转过渡过程的能量损耗,提升其惰转性能,保障核电站的安全可靠性,本文从理论基础出发,结合数值模拟与试验对照的方法,分析了导叶优化对核主泵水力性能与非线性惰转特性的影响,研究了非线性惰转过渡过程中核主泵的内部瞬态流动特性,获得了不同导叶优化方案对核主泵惰转过渡过程内部瞬态流动变化规律的影响,建立了基于导叶主要几何参数的惰转数学模型。主要研究结论如下:1、以效率与扬程为优化目标,对导叶进口安放角、出口安放角、叶片包角、叶片厚度、出口宽度和导叶与叶轮间隙等几何参数进行正交试验,通过灰色关联分析法对正交试验中导叶各因素参数与效率和扬程的关联度进行分析,探索了导叶各因素参数对核主泵水力性能的影响规律并获得了核主泵导叶的最优水力设计方案。2、创新性提出了具有分流式的导叶结构型式,借助CFD数值模拟软件分析了导叶最优叶水力设计方案与新型分流式导叶设计方案对核主泵水力性能与惰转特性的影响,结果表明导叶优化均有利于减小核主泵惰转过渡过程的能量损失。3、搭建核主泵样机惰转测试试验台,对两种设计方案分别进行了外特性试验与非线性惰转瞬态过程试验,获得了不同导叶设计方案对核主泵水力性能与惰转过渡过程转速、流量和扬程等参数的影响规律,以导叶优化模型泵为试验对象,探索了不同回路管阻对核主泵惰转过渡过程中转速、流量和扬程等参数的影响规律,验证了灰色关联分析法的可靠性。4、基于离散小波快速变换的方法对核主泵非线性惰转过渡过程的压力脉动进行了研究,获得了不同导叶设计方案下核主泵蜗壳出口流道压力脉动在不同子频带下的信号波动规律,阐明了压力脉动信号与非线性惰转过渡过程中流动损失和流量变化的关系,揭示了不同设计方案下核主泵在非线性惰转过渡过程不同阶段的压力脉动特征。5、根据主泵转矩平衡原理,建立了惰转工况平衡方程,基于多元线性回归方法求解了导叶主要几何参数与核主泵效率与扬程的数学关系,推导出核主泵非线性惰转过渡过程的转速数学模型,通过动态仿真系统对转速数学模型进行对比验证,证明了惰转数学模型的可靠性。