串列式軸流泵首次級葉輪能量特性及相互作用

　　為了分析串列式軸流泵的能量特性以及首次級葉輪之間的相互作用及其對能量特性的影響，采用數(shù)值計算的方法，對一串列泵內(nèi)不同流量工況下的內(nèi)部流場進行計算.湍流模型采用了一種RANS/LES的混合模式的FBM模型，基于試驗結(jié)果對數(shù)值方法進行了驗證，結(jié)果顯示該數(shù)值方法能夠較為精確地預(yù)測軸流泵的能量特性，F(xiàn)BM湍流模型預(yù)測結(jié)果精度高于標準k-ε模型.串列泵具有和普通軸流泵不同的能量性:揚程隨流量增大單調(diào)減小，功率隨著流量增大而緩慢增大，說明串列泵具有良好的調(diào)節(jié)特性;首級葉輪的能量特性隨流量變化而改變，具有和普通軸流泵幾乎相同的能量特性，次級葉輪的存在明顯改善了首級葉輪在小流量工況下的特性;次級葉輪的能量特性和普通軸流泵相比，具有較大差別，這是由于首級葉輪的存在改善了次級葉輪的進口流動，使次級葉輪在較大流量范圍內(nèi)具有恒定的能量特性.

　　串列葉柵是指多排葉柵直接相連的布置方式.由于串列葉柵具有可控制載荷分配以及靈活的氣動特性等優(yōu)點，已在航空發(fā)動機上得到應(yīng)用.在水動力學(xué)領(lǐng)域，串列式螺旋槳也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水下推進裝置.采用串列葉柵，調(diào)整前后葉柵的載荷不僅可以控制載荷分配，改變水力機械的能量特性，還可以大幅度提升水力機械的空化性能，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為，帶誘導(dǎo)輪的渦輪泵可以提高空化性能.串列泵是一種采用串列葉柵的軸流泵，和普通的雙級泵相比，由于減少了首、次級葉輪之間的導(dǎo)葉而顯著減小了泵級的軸向尺寸和質(zhì)量，使得串列泵具有結(jié)構(gòu)緊湊和功率密度高的特點.又由于兩級動葉輪直接串聯(lián)以及首、次級葉輪流動的相互作用，會導(dǎo)致首、次級葉輪流場變化，因此串列泵具有和一般水泵不同的能量特性.

　　串列葉柵理論的研究和應(yīng)用都取得了一定成果.HiroakiHasegawa等設(shè)計了1種適用于航空發(fā)動機的高載荷串列翼型，并進行了試驗測試，結(jié)果表明在設(shè)定轉(zhuǎn)速下單級串列葉柵可以達到2.2的壓比.Caon等對二維串列葉柵周圍流場結(jié)構(gòu)進行定常計算，分析了串列葉柵之間的相互作用，結(jié)果和已有試驗數(shù)據(jù)相吻合.國內(nèi)學(xué)者在基于串列葉柵理論的水力機械上的研究也取得了一定成果.上海船舶運輸科學(xué)研究所研制的串列螺旋槳，經(jīng)試驗表明在重負荷、限制直徑的條件下，推進效率比普通螺旋槳有較大提高.王立祥等采用升力法設(shè)計了串列式軸流泵葉輪，并通過試驗研究了兩級載荷分配、環(huán)量分布等相關(guān)參數(shù)對串列式軸流泵性能的影響.Yu等對2個已有試驗數(shù)據(jù)的軸流式葉輪進行簡單串聯(lián)后形成串列式軸流泵，計算了其內(nèi)部流場.以上研究雖然取得了一定的成果，但串列葉柵的首、次級葉柵之間的相互作用以及其各自特點對于整體葉柵的影響仍沒有完全掌握.

　　為了分析串列泵的能量特性以及首、次級葉輪的相互作用，文中以1個串列泵為研究對象，基于FBM湍流模型對不同工況下的泵內(nèi)三維流動進行數(shù)值計算，并對計算結(jié)果進行試驗驗證.

1、數(shù)值計算

　　1.1、控制方程

　　在以恒定角速度旋轉(zhuǎn)的葉輪中，考慮了離心力和科氏力的三維、定常、不可壓縮的連續(xù)性方程和動量方程分別為

結(jié)論

　　1)串列泵揚程隨流量的增大而單調(diào)減小，功率隨流量的增大而緩慢增大，因此具有良好的調(diào)節(jié)特性.

　　2)首級葉輪的能量特性隨流量變化而改變，具有和普通軸流泵幾乎相同的能量特性，但次級葉輪的存在明顯地改善了首級葉輪在小流量下的特性.

　　3)由于首級葉輪的存在，次級葉輪在設(shè)計的流量范圍內(nèi)具有恒定的能量特性.