串列式轴流泵首次级叶轮能量特性及相互作用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京理工大学机械与车辆学院 作者:赵宇

  为了分析串列式轴流泵的能量特性以及首次级叶轮之间的相互作用及其对能量特性的影响,采用数值计算的方法,对一串列泵内不同流量工况下的内部流场进行计算.湍流模型采用了一种RANS/LES的混合模式的FBM模型,基于试验结果对数值方法进行了验证,结果显示该数值方法能够较为精确地预测轴流泵的能量特性,FBM湍流模型预测结果精度高于标准k-ε模型.串列泵具有和普通轴流泵不同的能量性:扬程随流量增大单调减小,功率随着流量增大而缓慢增大,说明串列泵具有良好的调节特性;首级叶轮的能量特性随流量变化而改变,具有和普通轴流泵几乎相同的能量特性,次级叶轮的存在明显改善了首级叶轮在小流量工况下的特性;次级叶轮的能量特性和普通轴流泵相比,具有较大差别,这是由于首级叶轮的存在改善了次级叶轮的进口流动,使次级叶轮在较大流量范围内具有恒定的能量特性.

  串列叶栅是指多排叶栅直接相连的布置方式.由于串列叶栅具有可控制载荷分配以及灵活的气动特性等优点,已在航空发动机上得到应用.在水动力学领域,串列式螺旋桨也已经被广泛应用于水下推进装置.采用串列叶栅,调整前后叶栅的载荷不仅可以控制载荷分配,改变水力机械的能量特性,还可以大幅度提升水力机械的空化性能,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为,带诱导轮的涡轮泵可以提高空化性能.串列泵是一种采用串列叶栅的轴流泵,和普通的双级泵相比,由于减少了首、次级叶轮之间的导叶而显著减小了泵级的轴向尺寸和质量,使得串列泵具有结构紧凑和功率密度高的特点.又由于两级动叶轮直接串联以及首、次级叶轮流动的相互作用,会导致首、次级叶轮流场变化,因此串列泵具有和一般水泵不同的能量特性.

  串列叶栅理论的研究和应用都取得了一定成果.HiroakiHasegawa等设计了1种适用于航空发动机的高载荷串列翼型,并进行了试验测试,结果表明在设定转速下单级串列叶栅可以达到2.2的压比.Caon等对二维串列叶栅周围流场结构进行定常计算,分析了串列叶栅之间的相互作用,结果和已有试验数据相吻合.国内学者在基于串列叶栅理论的水力机械上的研究也取得了一定成果.上海船舶运输科学研究所研制的串列螺旋桨,经试验表明在重负荷、限制直径的条件下,推进效率比普通螺旋桨有较大提高.王立祥等采用升力法设计了串列式轴流泵叶轮,并通过试验研究了两级载荷分配、环量分布等相关参数对串列式轴流泵性能的影响.Yu等对2个已有试验数据的轴流式叶轮进行简单串联后形成串列式轴流泵,计算了其内部流场.以上研究虽然取得了一定的成果,但串列叶栅的首、次级叶栅之间的相互作用以及其各自特点对于整体叶栅的影响仍没有完全掌握.

  为了分析串列泵的能量特性以及首、次级叶轮的相互作用,文中以1个串列泵为研究对象,基于FBM湍流模型对不同工况下的泵内三维流动进行数值计算,并对计算结果进行试验验证.

1、数值计算

  1.1、控制方程

  在以恒定角速度旋转的叶轮中,考虑了离心力和科氏力的三维、定常、不可压缩的连续性方程和动量方程分别为

串列式轴流泵首次级叶轮能量特性及相互作用

结论

  1)串列泵扬程随流量的增大而单调减小,功率随流量的增大而缓慢增大,因此具有良好的调节特性.

  2)首级叶轮的能量特性随流量变化而改变,具有和普通轴流泵几乎相同的能量特性,但次级叶轮的存在明显地改善了首级叶轮在小流量下的特性.

  3)由于首级叶轮的存在,次级叶轮在设计的流量范围内具有恒定的能量特性.

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