噴水推進(jìn)泵軸向間隙對(duì)其工作特性的影響

李 臣

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)電氣與智能工程學(xué)院，江蘇南京 211170）

引言

噴水推進(jìn)技術(shù)是從21 世紀(jì)末興起并迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型推進(jìn)器，與螺旋槳推進(jìn)器不同[1]，噴水推進(jìn)器采用外加導(dǎo)管取代了傳統(tǒng)的推進(jìn)器，其工作原理是通過(guò)主驅(qū)動(dòng)噴油泵的葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)水作動(dòng)力，通過(guò)尾管?chē)娚涑龅母咚偎鞯姆醋髁⑺螺d體向前移動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)向、倒車(chē)等操縱機(jī)構(gòu)改變噴射方向，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向和倒車(chē)的目的[2]。適當(dāng)?shù)妮S向間隙既可以改善噴射泵的液壓特性，又可以?xún)?yōu)化其內(nèi)部流場(chǎng)，改善其耐氣蝕特性。目前，對(duì)葉輪機(jī)械內(nèi)部動(dòng)、靜葉之間的軸向間隙流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，萬(wàn)繼林[3]利用變軸向間隙對(duì)平直和彎靜葉的壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了良好的結(jié)果；張曉崗[4]采用數(shù)值模擬的方法，研究了軸流風(fēng)機(jī)的軸向間隙對(duì)其內(nèi)部的三維流場(chǎng)及整體性能的影響。張始齋[5]通過(guò)對(duì)小型礦用軸流風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬，得出了在一定范圍內(nèi)，軸向間隙減少，可以提高效率，從而改善通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。然而，研究軸向間隙對(duì)其水力特性和流場(chǎng)的影響，目前相對(duì)較少。因此，本研究對(duì)噴水推進(jìn)泵的軸向間隙的改變效果進(jìn)行了深入的探討，從而得到了其對(duì)泵體的特性和流場(chǎng)的影響，從而為其結(jié)構(gòu)和性能的改善提供了理論依據(jù)。

1 模型與網(wǎng)格

1.1 計(jì)算網(wǎng)格的劃分

通過(guò)NUMECA 的AutoGrid5 模塊對(duì)計(jì)算域進(jìn)行了分割，為了保證網(wǎng)格的生成，將計(jì)算域分為動(dòng)葉和靜葉兩個(gè)部分，動(dòng)、靜兩個(gè)區(qū)域分別采用O-H 型網(wǎng)格，在葉片周?chē)肙 型網(wǎng)格進(jìn)行加密，在葉尖縫隙處用蝴蝶網(wǎng)格[6]，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。在動(dòng)葉區(qū)和靜葉區(qū)分別有大約780 000 個(gè)網(wǎng)格和680 000 個(gè)網(wǎng)格單元。通過(guò)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)y+均小于10，符合數(shù)值模擬要求。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格

1.2 邊界條件的設(shè)定

合理地設(shè)定邊界條件是保證數(shù)值計(jì)算精度的關(guān)鍵。圖2 顯示了本研究的計(jì)算域的設(shè)定方案[7]。為了使葉輪內(nèi)的氣流不會(huì)受到入口的影響，計(jì)算區(qū)域的入口邊界通常設(shè)置在離葉輪中心0.85 D 的位置。由于軸流噴射泵的入口位置在水下大約有半米深，輸入總壓為106 000 Pa，總溫度為293 K，來(lái)流方向?yàn)榫鶆虻妮S向流入。對(duì)于出口的邊界，只要給定流量就可以了，其具體數(shù)值取決于工作環(huán)境。計(jì)算區(qū)域的出口通常位于離葉輪中心0.6 D 的位置，這樣可以使葉輪內(nèi)的水流不會(huì)受到出口的影響，從而使出口湍流得到充分的發(fā)展。在固定流場(chǎng)和葉輪入口速度均勻的情況下，采用周期邊界法求解單通道，并采用周期邊界條件。在對(duì)噴射泵進(jìn)行單通道計(jì)算時(shí)，應(yīng)將輪轂和輪罩設(shè)定為固壁邊界。固壁為絕熱、不滑動(dòng)的邊界條件，葉輪和輪轂均為旋轉(zhuǎn)壁面。

圖2 泵級(jí)計(jì)算域

1.3 網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

采用126 萬(wàn)，146 萬(wàn)，166 萬(wàn)，186 萬(wàn)網(wǎng)格的單通道模型來(lái)保證網(wǎng)格質(zhì)量滿(mǎn)足要求，并進(jìn)行網(wǎng)格驗(yàn)證。通常使用方程（1）、方程（2）來(lái)計(jì)算葉輪的效率和揚(yáng)程[8]：

圖3 和圖4 給出了計(jì)算的結(jié)果。從兩個(gè)圖表中可以看出，在網(wǎng)格數(shù)目大于1 460 000 的情況下，隨著網(wǎng)格數(shù)目的不斷增大，對(duì)噴水系統(tǒng)的水力特性的影響并不明顯，但網(wǎng)格數(shù)目過(guò)多，則會(huì)引起計(jì)算收斂的波動(dòng)。因此，本研究所采用的網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大，只需選取1 460 000 個(gè)網(wǎng)格的計(jì)算模型即可。

圖3 效率- 網(wǎng)格數(shù)曲線

圖4 揚(yáng)程- 網(wǎng)格數(shù)曲線

2 性能分析

本研究首先對(duì)不同軸向間隙的噴射泵在設(shè)計(jì)工況的工作特性進(jìn)行了分析。由表1 可知，在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，總壓力和靜壓力升隨軸向間隙的增加而先增加后下降，扭矩、軸功率基本不變，而總壓效率則先增加后下降。當(dāng)軸向間隙由15 mm 增加至25 mm 時(shí)，整體壓力效率降低1.4%。當(dāng)軸向間隙增加時(shí)，在最優(yōu)的軸向間隙處，其對(duì)動(dòng)葉吸力面的角區(qū)分離作用最小，對(duì)動(dòng)葉流道內(nèi)部的流體干擾也最小，因而提高了出口靜壓力和總壓。

表1 噴射泵在設(shè)計(jì)工作條件下的性能指標(biāo)

如圖5 所示，在非設(shè)計(jì)條件下，在大流速條件下（流速超過(guò)484 kg/s），軸向間隙對(duì)效率和揚(yáng)程的影響較小，而隨著軸向間隙增大，效率和揚(yáng)程略有下降；而在小流量條件下（流量低于484 kg/s)，其效率和揚(yáng)程的變化比較復(fù)雜，在小流量狀態(tài)下，其效率下降很快，在20～25 mm 的軸向間隙處下降最大，揚(yáng)程明顯下降；而在10～15 mm 的軸向間隙下，泵的工作效率更高，揚(yáng)程更大。所以，理想的軸向間隙應(yīng)該為10～15 mm。

圖5 不同軸向間隙下水力性能隨流量的變化曲線圖

為了研究軸向間隙變動(dòng)對(duì)流道流場(chǎng)的影響，本研究對(duì)不同軸向間隙的不同情況下，S1 流面處的壓力分布進(jìn)行了分析。如圖6 所示，當(dāng)軸向間隙增加時(shí)，流動(dòng)通道的壓力、速度分布幾乎沒(méi)有變化；靜葉流道內(nèi)部的壓力、速度分布有很大的波動(dòng)，高壓區(qū)（圖6 中的長(zhǎng)方形）隨著葉片的軸向間隙增加而增大，導(dǎo)致了泵的效率下降。

圖6 S1 流面靜壓分布云圖

3 結(jié)論

從動(dòng)、靜葉片軸向間隙的變化可知：

（1） 在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，泵的工作效率隨軸向間隙的增加而先增加后減小，靜葉角區(qū)的分離逐漸擴(kuò)大，葉片出口的高壓區(qū)域和吸力面的高速流區(qū)也隨之增大。在此基礎(chǔ)上，在軸向間隙為10～15 mm 的情況下，該泵的流體力學(xué)特性及流場(chǎng)分布較為理想。

（2） 在無(wú)設(shè)計(jì)狀態(tài)下，在大流量條件下，軸向間隙對(duì)效率和揚(yáng)程的影響較??；但在低流量條件下，系統(tǒng)的效率和揚(yáng)程變化比較復(fù)雜；在10～15 mm 軸向間隙范圍內(nèi)，泵的有效工作區(qū)域更大，揚(yáng)程也更大，最優(yōu)軸向間隙為10～15 mm。