串列式軸流泵流場計算與性能分析

串列式軸流泵流場計算與性能分析

0試驗技術(shù)與設(shè)備游泳促進是水面和水面駕駛員的一般推行方法。軸流式噴水推進器具有流量大、結(jié)構(gòu)緊湊、抗空化性能好等優(yōu)點。隨著航行器航速的提高，對推進器推力的要求也越來越高。在徑向空間受到限制時，基于實現(xiàn)大的水推力的需要，常采用多級軸流泵級形式。為了進一步改善推進器的性能，減小其幾何尺寸和質(zhì)量，提高功率密度，近年來，人們開始探索串列式軸流泵的概念。所謂串列式軸流泵是兩個動葉輪直接串聯(lián)和后面的導(dǎo)葉形成的泵級。和普通的雙級泵比較由于減少了一級導(dǎo)葉而可以顯著地減小噴水推進器的軸向尺寸，這在高速航行器領(lǐng)域具有非常重要的意義。從泵級的流體動力而言，由于兩個動葉輪直接串聯(lián)，將導(dǎo)致前后級葉輪內(nèi)的流動相互作用，影響前后級葉輪內(nèi)的速度分布和壓力分布，同時也對葉片表面邊界層的分離產(chǎn)生影響，從而造成泵級空化和能量特性的變化。這是一個嶄新的水力機械水動力學(xué)問題。有關(guān)對該水動力學(xué)問題研究不僅對串列式推進泵的研制具有重要意義，同時也可以推動火箭發(fā)動機高速燃料泵等高空化性能、高功率密度水力機械研發(fā)技術(shù)的發(fā)展。近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基于計算流體動力學(xué)(Computationalfluiddynamics,CFD)技術(shù)的泵級性能分析的研究工作得到了較快的發(fā)展。在單級泵方面，基于SIMPLEC算法采用自編程序的方法對斜流式噴水推進器內(nèi)部流場進行研究，預(yù)測性能和試驗結(jié)果有較好的一致性；運用CFD商業(yè)軟件分別研究了軸流和斜流噴水推進器泵級模型的內(nèi)部三維紊流流場和性能，并基于CFD的計算結(jié)果對水力性能進行了優(yōu)化。由于對高功率密度航空發(fā)動機和大功率船舶推進螺旋槳研制的需求，基于串聯(lián)葉柵理論的串列式葉輪機械及串列式螺旋槳的研究已取得了階段性的成果。如德國漢諾威大學(xué)葉輪機研究所研制的4級軸流式壓氣機，其中2、3、4級的轉(zhuǎn)子采用串列葉柵形式，其最高效率達到了88%。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(fù)荷、限制直徑的條件下，推進效率比普通螺旋槳有較大提高。在串列泵研究領(lǐng)域，國內(nèi)有關(guān)單位也進行了泵級的相關(guān)試驗研究，證明了串列泵的可行性并對其特性進行了初步的探索。本文使用兩個已完成性能試驗的不同比轉(zhuǎn)速的軸流泵葉輪作為串列式雙級軸流泵的前后級葉輪，并根據(jù)兩級葉輪的性能重新設(shè)計了導(dǎo)葉，形成了一串列軸流泵。采用數(shù)值模擬的方法研究了串列式軸流泵的內(nèi)部流場及其能量特性，并與兩個泵級的性能試驗結(jié)果進行了對比，討論了串列泵這種新型泵級的在內(nèi)部流場和能量特性方面的特點。1雙級泵的干積計1.1葉輪轉(zhuǎn)速的影響由于前后葉輪在泵級中的位置和作用的不同，串列泵前后葉輪的選取，應(yīng)綜合考慮載荷分配、抗空化性能、揚程等因素的影響，對于首級葉輪來說，應(yīng)主要防止空化產(chǎn)生的危險，由于高比轉(zhuǎn)速泵具有較大的流量系數(shù)，揚程較低，因此首級宜采用較高比轉(zhuǎn)速的葉輪；對于次級葉輪，其進口的預(yù)壓較高，不易產(chǎn)生空化，因此應(yīng)主要考慮其做功的能力，由于在相同流量和轉(zhuǎn)速下，低比轉(zhuǎn)速的葉輪的功率系數(shù)比較大，產(chǎn)生的揚程高，因此次級葉輪宜選取比轉(zhuǎn)速較低的葉輪。在本研究中，為了保證計算結(jié)果和試驗結(jié)果的對比，并對串列葉輪的性能進行分析，選取了兩個有試驗結(jié)果的葉輪，其具體參數(shù)見表1。1.2葉輪入流方向的確定普通的雙級軸流泵是由第一級葉輪、第一級導(dǎo)葉、第二級葉輪和第二級導(dǎo)葉組成的，水沿軸向入流，經(jīng)過第一級葉輪的作用后，進入到第一級導(dǎo)葉，導(dǎo)葉將葉輪出口的環(huán)量轉(zhuǎn)換為壓強，從而保證第二級葉輪的入流滿足無預(yù)旋條件，即按軸向入流。但對于串列式軸流泵來說，其布置采用了第一級葉輪、第二級葉輪和第二級導(dǎo)葉串列的形式，減少了兩級動葉輪之間導(dǎo)葉的整流作用，從而使次級葉輪處于首級葉輪旋轉(zhuǎn)尾流之中，次級葉輪的入流也不再滿足無預(yù)旋條件。在本研究中由于前后葉輪都是按無預(yù)選條件設(shè)計的，此時如果次級葉輪仍舊按照原來的安放角布置，不可避免地會在進口引起較大的沖擊損失，同時也達不到使第二級葉輪在設(shè)計工況下做功的目的，因此要求第二級葉輪的入流滿足無沖擊進口條件，即令第二級葉輪的進口相對流動角和葉片安放角相等。圖1為串列葉輪的速度三角形，其中△ABC為首級葉輪的進口速度三角形?！鰽DC為首級葉輪出口的速度三角形，△EFG為次級葉輪的進口速度三角形，△EHG為次級葉輪出口的速度三角形。由于首級葉輪和次級葉輪具有相同的輪轂比，且具有相同的旋轉(zhuǎn)速度，如果能忽略掉兩個泵級葉輪之間的能量損失，即認(rèn)為首級葉輪出口的絕對速度和次級葉輪進口的速度相同，那么△ADC和△EFG是完全一樣的。根據(jù)次級葉輪滿足無沖擊進口條件，葉輪的相對流動角∠EGF和∠ACB之差應(yīng)為次級葉輪在原來安放角的基礎(chǔ)上應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的角度。對于所選的葉輪，其各個斷面處的安放角均不相同，考慮到葉輪的主要做功區(qū)域在葉片的中上部，選葉片中部0.7斜斷面處所旋轉(zhuǎn)的角度作為次級葉輪安放角偏轉(zhuǎn)的角度。經(jīng)計算，次級葉輪在原來安放角的基礎(chǔ)上應(yīng)偏轉(zhuǎn)12°。圖中vin,vout——泵級進、出口速度u,u′——前、后級葉輪圓周速度cm2——前級葉輪出口軸面速度c′m2,c′m3——后級葉輪進、出口軸面速度2計算室內(nèi)泵流場的方法2.1pro/e建模方法目前在水泵內(nèi)部流場CFD計算中，可通過多種方法進行泵級的幾何建模，一種方法是直接使用CFD軟件前處理模塊來建立模型，另一種方法是采用專業(yè)三維繪圖軟件(Pro/E、UG、CATIA等)來建立模型。雖然使用專業(yè)三維繪圖軟件進行幾何建模，需要在不同軟件之間進行相互數(shù)據(jù)傳遞，但考慮到Pro/E的強大繪圖功能，以及其可視化功能，尤其在處理葉片前端圓角修圓、導(dǎo)葉體尾部減薄等方面具有較強的功能，本研究中，使用了Pro/E來建立三維模型，然后將三維模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到計算軟件中。整個計算區(qū)域包括進水段、首級葉輪、次級葉輪和導(dǎo)葉區(qū)域。2.2格的生成速度和質(zhì)量網(wǎng)格的劃分利用NUMECA的AutoGrid模塊完成，并使用IGG模塊搭接成整體計算網(wǎng)格。圖2是計算區(qū)域網(wǎng)格圖，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的生成速度較快，生成質(zhì)量也較高。由于整個計算區(qū)域較長，且涉及到動葉和靜葉之間的結(jié)合面，為控制網(wǎng)格質(zhì)量，將復(fù)雜的計算區(qū)域劃分為三部分，即進口區(qū)域及首級葉輪部分，次級葉輪部分和導(dǎo)葉出口區(qū)域部分。進口區(qū)域及首級葉輪部分采用I型網(wǎng)格，次級葉輪部分采用O型網(wǎng)格，導(dǎo)葉出口區(qū)域采用O-H型網(wǎng)格，間隙處采用蝶型網(wǎng)格，這樣生成的網(wǎng)格沒有負(fù)網(wǎng)格，且網(wǎng)格的正交性、長寬比和擴展比都較好，最終劃分為9個塊，網(wǎng)格總數(shù)為886497。2.3葉片生長特性分析計算域的進口采用均勻入流條件，取值根據(jù)工況流量確定；出口給定靜壓；對于所有固壁采用無滑移邊界條件。本文的數(shù)值計算采用NUMECA的Fine/TURBO軟件包，求解三維定常Navier-Stokes方程組。差分采用空間中心差分格式，時間項采用四階Runge-Kutta法進行迭代求解，CFL數(shù)取為2.0，湍流模型采用Spalart-Allamaras模型。為加快收斂速度，計算中采用隱式殘差光順方法和完全多重網(wǎng)格技術(shù)。對流道中的葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域之間定義混合面，計算時采用混合平面法，即對上游的出口參數(shù)進行周向平均后作為下游葉片的進口參數(shù)。當(dāng)進出口流量的誤差在1%以內(nèi)，且殘差值達到10–4時就認(rèn)為當(dāng)前工況的計算已收斂。3計算結(jié)果和分析根據(jù)前后葉輪的性能特性，在本研究中分別針對表2所示的工況進行了計算。其中工況2是試驗所得的前后葉輪的最佳流量工況。3.1葉輪單級泵級內(nèi)部流特性對比圖3給出了首級葉輪不同流量時葉片表面的相對速度矢量分布圖，不管在小流量(φ=7.97)還是在最佳流量工況(φ=8.68)，整體上速度分布比較均勻。從葉高方向看，隨著半徑的增大，相對速度也在增大。從水流形態(tài)看，壓力面上的速度分布情況良好，沒有出現(xiàn)分離；而吸力面上，其主要做功區(qū)域流動情況良好，只是在葉片的尾部，發(fā)生了流動分離現(xiàn)象，出現(xiàn)了一個較小的旋渦。為了進一步說明首級葉輪的特性，圖4對比了基于數(shù)值計算結(jié)果預(yù)測的首級葉輪性能與試驗所得單級泵級性能。圖4中，橫軸為流量系數(shù)φ，左側(cè)縱軸為揚程系數(shù)ψ，右側(cè)縱軸表示效率η，其定義分別為式中Q——流量T——液流作用于葉輪的轉(zhuǎn)矩泵的實際揚程可由式(4)計算得出式中p為壓力值，V為絕對速度，N為進、出口斷面的節(jié)點數(shù)。從圖4可看出，采用普通軸流泵的葉輪做為串列泵的首級葉輪的揚程、功率、效率隨流量的變化與單級軸流泵具有相同的變化趨勢，但其性能全都低于單級泵級的性能。說明在串列泵中，首級葉輪的內(nèi)部流動及其特性和普通軸流泵基本相同，但是由于其出口的流動將受到次級葉輪的影響，比如靜壓強的變化，將直接影響葉片出口壓力梯度的變化。3.2第二次葉片的計算和分析3.2.1扭轉(zhuǎn)角對次級葉輪揚程的影響如前所述，根據(jù)無沖擊入流條件，次級葉輪的安放角改變了12°。圖5對比了設(shè)計流量下次級葉輪在普通軸流泵安放角和扭轉(zhuǎn)12°后葉片進口邊的相對速度分布情況。圖5a是原葉片安放角的情況；圖5b是當(dāng)葉片扭轉(zhuǎn)12°后的進口速度分布。從圖5a中明顯可以看出，在原安放角條件下，次級葉輪進口液流產(chǎn)生了較大的負(fù)沖角，在壓力面頭部產(chǎn)生了脫流現(xiàn)象，形成了一漩渦流動區(qū)域；由圖5b可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將葉片安放角扭轉(zhuǎn)了12°后，由于該扭轉(zhuǎn)角是根據(jù)葉高70%處的速度三角形計算得到的，因此在進口處液流角和葉片的進口角取得了非常好的一致。在上述兩種情況下，分別預(yù)測了次級葉輪在不同流量下的揚程特性，如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)，葉片的扭轉(zhuǎn)對次級葉輪的做功能力具有重大的影響。當(dāng)葉片沒有扭轉(zhuǎn)時，葉輪的做功能力很差且其揚程基本不隨流量的增加而增加，但當(dāng)葉片扭轉(zhuǎn)12°后，葉輪的做功能力得到了充分的發(fā)揮。為了進一步說明扭轉(zhuǎn)角的影響，表3給出了在最優(yōu)流量下不同葉片扭轉(zhuǎn)角下的計算結(jié)果。其中進口速度、壓強和出口速度及壓強均采用了周向平均值?？梢园l(fā)現(xiàn)，在最優(yōu)流量下，葉片扭轉(zhuǎn)角的變化對次級葉輪的揚程具有顯著的影響。在以70%葉高處的速度三角形分析的葉片扭轉(zhuǎn)角(12o)能夠獲得最大的揚程，說明文獻提出的以70%葉高處的斷面作為特征斷面的建議是合理的。同時可以發(fā)現(xiàn)，葉片角度的調(diào)整對進出口速度的影響不如對壓力場的影響大，這是下一步的研究需要關(guān)注的。3.2.2速度分布的特征圖7給出了最優(yōu)工況時，次級葉輪葉片壓力面和吸力面上的速度矢量分布。對比圖3給出的首級葉輪葉片表面的速度矢量分布，可以發(fā)現(xiàn)盡管是在最優(yōu)工況條件下，無論是葉片的壓力面還是吸力面速度的分布都不是很均勻，在葉片的壓力面上在出口靠近輪轂有一低速區(qū)域，在葉片的吸力面也有類似的狀況，由于這一低速區(qū)域的存在，葉片表面的流動，如圖中速度方向所示，有一個向輪緣方向偏轉(zhuǎn)的趨勢。對比吸力面和壓力面上的速度大小，可以發(fā)現(xiàn)在次級葉輪中吸力面和壓力面速度大小的差遠遠大于首級葉輪，這是因為次級葉輪是在首級葉輪產(chǎn)生的流動環(huán)量下工作，葉片具有大的安放角?？傊瑢Ρ惹昂蠹壢~輪內(nèi)的流動狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，次級葉輪內(nèi)的流動已發(fā)生了非常大的變化，如何應(yīng)對這種變化，是設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題。3.3不同工況下，前后葉輪的葉片實際實際實際應(yīng)用為了說明前后葉輪間的流動狀態(tài)，圖8給出了在葉高70%處截取的圓柱面上前后葉輪葉柵在不同流量下的流動狀態(tài)。由于葉片的扭轉(zhuǎn)是針對該葉柵流動的狀態(tài)進行的，可以發(fā)現(xiàn)在不同工況尤其是設(shè)計工況下，前后葉輪在該葉柵面上的流動速度的還是比較均勻的，說明根據(jù)速度三角形來處理前后葉輪的葉片安放角是一種可以接受的設(shè)計方法。同時應(yīng)該指出的是由于該計算中在前后兩級葉輪中間采取了混合面的前后葉輪流場計算的耦合方法，雖然從平均的角度可以認(rèn)為前后葉輪的流動是連續(xù)的，但無法捕捉前后葉輪瞬間的流動狀態(tài)，以至于當(dāng)對比圖中不同流量下的前后葉輪間的流動狀態(tài)時，無法獲得更多細微的變化。3.4激發(fā)軸流泵的外特性為了進一步說明串列軸流泵的特點，基于上述流場計算的結(jié)果，得到了計算串列泵在不同流量工況的揚程、效率和功率，得出串列式軸流泵級的外特性曲線。為了比較串列泵與普通雙級軸流泵的特性，將用來計算的兩個單級泵級的試驗結(jié)果在去除出水彎管影響的前提下，將同一流量下的揚程相加，并將效率按功率進行加權(quán)平均獲得普通雙級軸流泵的外特性。圖9比較了計算所得的串列式軸流泵和試驗所得的雙級軸流泵的外特性曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)串列式兩級軸流泵和普通的兩級軸流泵的性能曲線形狀明顯不同。串列泵的效率曲線較普通軸流泵變得更加平坦，高效區(qū)域?qū)拸V，且高效率區(qū)向大流量偏移。流量-揚程曲線也變得非常平坦，最大的變化發(fā)生在流量和功率的關(guān)系上，不同于一般軸流泵的軸功率隨流量的增大而減小的特性，串列式軸流泵的功率曲線變得非常平坦，且具有隨流量增大而增大的趨勢。應(yīng)該指出的是，文獻的試驗也得到了類似的結(jié)果。圖9的對比也表明采用普通軸流泵串聯(lián)所得到串列式泵的揚程和功率在小流量和設(shè)計流量的范圍內(nèi)均低于普通的軸流泵，再由圖4所示的首級葉輪的特性，可知雖然通過速度三角形的分析，進行葉片扭轉(zhuǎn)使得從前葉輪流出的水流以并不明顯增大的流動損失通過第二級葉輪，但第二級葉輪的做功能力還遠遠沒有發(fā)揮出來，使得通過簡單的串列所獲得的串列泵的性能還低于普通雙級軸流泵，這揭示了進一步研究串列泵內(nèi)的流動機理，建立前后葉輪一體化設(shè)計方法的必要性。4次級葉輪內(nèi)部流場和葉片熱流場(1)串列式軸流泵泵和普通的軸流泵具有明顯不同的能量特性。其流量-揚程和流量-效率曲線變化非常平緩，高效區(qū)寬廣。功率不再隨流量的增大而減小。(2)首級葉輪內(nèi)的流場和一般軸流泵基本相同，由于其揚程要低于后面安裝導(dǎo)葉時的情況，說明次級葉輪的流場也在影響著首級葉輪。次級葉輪的內(nèi)部流場和不同軸流泵葉輪具有明顯的不同，主要表現(xiàn)在壓力面和吸力面的流速差值加大。(3)首級葉輪的液流角和次級葉輪葉片安放角的耦合對于串列泵的特性具有重要的影響。在進行葉片扭轉(zhuǎn)時可