噴水推進泵軸向間隙對其工作特性的影響

李 臣

（江蘇海事職業技術學院輪機電氣與智能工程學院，江蘇南京 211170）

引言

噴水推進技術是從21 世紀末興起并迅速發展起來的一種新型推進器，與螺旋槳推進器不同[1]，噴水推進器采用外加導管取代了傳統的推進器，其工作原理是通過主驅動噴油泵的葉輪旋轉對水作動力，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，通過轉向、倒車等操縱機構改變噴射方向，從而達到轉向和倒車的目的[2]。適當的軸向間隙既可以改善噴射泵的液壓特性，又可以優化其內部流場，改善其耐氣蝕特性。目前，對葉輪機械內部動、靜葉之間的軸向間隙流動進行了數值模擬，萬繼林[3]利用變軸向間隙對平直和彎靜葉的壓氣機內部流場進行了數值模擬，得到了良好的結果；張曉崗[4]采用數值模擬的方法，研究了軸流風機的軸向間隙對其內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機的數值模擬，得出了在一定范圍內，軸向間隙減少，可以提高效率，從而改善通風系統的運行效果。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，本研究對噴水推進泵的軸向間隙的改變效果進行了深入的探討，從而得到了其對泵體的特性和流場的影響，從而為其結構和性能的改善提供了理論依據。

1 模型與網格

1.1 計算網格的劃分

通過NUMECA 的AutoGrid5 模塊對計算域進行了分割，為了保證網格的生成，將計算域分為動葉和靜葉兩個部分，動、靜兩個區域分別采用O-H 型網格，在葉片周圍用O 型網格進行加密，在葉尖縫隙處用蝴蝶網格[6]，網格結構見圖1。在動葉區和靜葉區分別有大約780 000 個網格和680 000 個網格單元。通過數值模擬，發現y+均小于10，符合數值模擬要求。

圖1 計算網格

1.2 邊界條件的設定

合理地設定邊界條件是保證數值計算精度的關鍵。圖2 顯示了本研究的計算域的設定方案[7]。為了使葉輪內的氣流不會受到入口的影響，計算區域的入口邊界通常設置在離葉輪中心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，來流方向為均勻的軸向流入。對于出口的邊界，只要給定流量就可以了，其具體數值取決于工作環境。計算區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。在對噴射泵進行單通道計算時，應將輪轂和輪罩設定為固壁邊界。固壁為絕熱、不滑動的邊界條件，葉輪和輪轂均為旋轉壁面。

圖2 泵級計算域

1.3 網格數對計算結果的影響

采用126 萬，146 萬，166 萬，186 萬網格的單通道模型來保證網格質量滿足要求，并進行網格驗證。通常使用方程（1）、方程（2）來計算葉輪的效率和揚程[8]：

圖3 和圖4 給出了計算的結果。從兩個圖表中可以看出，在網格數目大于1 460 000 的情況下，隨著網格數目的不斷增大，對噴水系統的水力特性的影響并不明顯，但網格數目過多，則會引起計算收斂的波動。因此，本研究所采用的網格數對計算結果的影響不大，只需選取1 460 000 個網格的計算模型即可。

圖3 效率- 網格數曲線

圖4 揚程- 網格數曲線

2 性能分析

本研究首先對不同軸向間隙的噴射泵在設計工況的工作特性進行了分析。由表1 可知，在設計狀態下，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。當軸向間隙由15 mm 增加至25 mm 時，整體壓力效率降低1.4%。當軸向間隙增加時，在最優的軸向間隙處，其對動葉吸力面的角區分離作用最小，對動葉流道內部的流體干擾也最小，因而提高了出口靜壓力和總壓。

表1 噴射泵在設計工作條件下的性能指標

如圖5 所示，在非設計條件下，在大流速條件下（流速超過484 kg/s），軸向間隙對效率和揚程的影響較小，而隨著軸向間隙增大，效率和揚程略有下降；而在小流量條件下（流量低于484 kg/s)，其效率和揚程的變化比較復雜，在小流量狀態下，其效率下降很快，在20～25 mm 的軸向間隙處下降最大，揚程明顯下降；而在10～15 mm 的軸向間隙下，泵的工作效率更高，揚程更大。所以，理想的軸向間隙應該為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行了分析。如圖6 所示，當軸向間隙增加時，流動通道的壓力、速度分布幾乎沒有變化；靜葉流道內部的壓力、速度分布有很大的波動，高壓區（圖6 中的長方形）隨著葉片的軸向間隙增加而增大，導致了泵的效率下降。

圖6 S1 流面靜壓分布云圖

3 結論

從動、靜葉片軸向間隙的變化可知：

（1） 在設計狀態下，泵的工作效率隨軸向間隙的增加而先增加后減小，靜葉角區的分離逐漸擴大，葉片出口的高壓區域和吸力面的高速流區也隨之增大。在此基礎上，在軸向間隙為10～15 mm 的情況下，該泵的流體力學特性及流場分布較為理想。

（2） 在無設計狀態下，在大流量條件下，軸向間隙對效率和揚程的影響較小；但在低流量條件下，系統的效率和揚程變化比較復雜；在10～15 mm 軸向間隙范圍內，泵的有效工作區域更大，揚程也更大，最優軸向間隙為10～15 mm。