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        噴水推進(jìn)泵軸向間隙對其工作特性的影響

        2022-11-12 10:21:14
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年33期
        關(guān)鍵詞:噴射泵靜葉揚(yáng)程

        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,其工作原理是通過主驅(qū)動噴油泵的葉輪旋轉(zhuǎn)對水作動力,通過尾管噴射出的高速水流的反作力將水下載體向前移動,通過轉(zhuǎn)向、倒車等操縱機(jī)構(gòu)改變噴射方向,從而達(dá)到轉(zhuǎn)向和倒車的目的[2]。適當(dāng)?shù)妮S向間隙既可以改善噴射泵的液壓特性,又可以優(yōu)化其內(nèi)部流場,改善其耐氣蝕特性。目前,對葉輪機(jī)械內(nèi)部動、靜葉之間的軸向間隙流動進(jìn)行了數(shù)值模擬,萬繼林[3]利用變軸向間隙對平直和彎靜葉的壓氣機(jī)內(nèi)部流場進(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)的軸向間隙對其內(nèi)部的三維流場及整體性能的影響。張始齋[5]通過對小型礦用軸流風(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,研究軸向間隙對其水力特性和流場的影響,目前相對較少。因此,本研究對噴水推進(jìn)泵的軸向間隙的改變效果進(jìn)行了深入的探討,從而得到了其對泵體的特性和流場的影響,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NUMECA 的AutoGrid5 模塊對計(jì)算域進(jìn)行了分割,為了保證網(wǎng)格的生成,將計(jì)算域分為動葉和靜葉兩個(gè)部分,動、靜兩個(gè)區(qū)域分別采用O-H 型網(wǎng)格,在葉片周圍用O 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)見圖1。在動葉區(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,來流方向?yàn)榫鶆虻妮S向流入。對于出口的邊界,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、不滑動的邊界條件,葉輪和輪轂均為旋轉(zhuǎn)壁面。

        圖2 泵級計(jì)算域

        1.3 網(wǎng)格數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響

        采用126 萬,146 萬,166 萬,186 萬網(wǎng)格的單通道模型來保證網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求,并進(jìn)行網(wǎng)格驗(yàn)證。通常使用方程(1)、方程(2)來計(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)目過多,則會引起計(jì)算收斂的波動。因此,本研究所采用的網(wǎng)格數(shù)對計(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,其對動葉吸力面的角區(qū)分離作用最小,對動葉流道內(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484 kg/s),軸向間隙對效率和揚(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對流道流場的影響,本研究對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),流動通道的壓力、速度分布幾乎沒有變化;靜葉流道內(nèi)部的壓力、速度分布有很大的波動,高壓區(qū)(圖6 中的長方形)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、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)特性及流場分布較為理想。

        (2) 在無設(shè)計(jì)狀態(tài)下,在大流量條件下,軸向間隙對效率和揚(yáng)程的影響較小;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。

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