喷水推进泵转速控制及轴向推力研究

摘要

随着海上输运高速化和海军攻击型舰艇现代化的趋势，由于泵喷水推进器优越的水力性能和结构特性的优势使其适用和需求范围愈来愈广。对旋轴流泵由于其结构紧凑，空化性能好，高效区宽等优点，被认为是喷水推进器的理想动力源。但是对旋轴流式喷水推进泵偏离设计工况特别是在小流量区域运行时效率较低，致使喷水推进系统工作效率低。另外，喷水推进泵的工作动力为轴向推力，研究轴向推力及其空化条件下的特征具有重要意义。
　　本文利用数值模拟方法，对旋轴流式喷水推进泵的转速控制方法及轴向推力进行了系统研究，研究工作和主要结论有:
　　1.系统地介绍了关于喷水推进泵效率和轴向推力方面的研究现状，并进行了总结和分析。介绍了喷水推进的原理，分析了喷水推进的泵理论，研究了推力产生的机理及控制方法，对两种推力计算方法的进行比较分析。
　　2.研究了比较准确的喷水推进泵外特性的数值计算方法。对喷水推进泵的三维建模，划分网格，边界条件和湍流模型的选择进行了分析，然后确定了合理的计算方法。
　　3.运用CFX软件，研究了喷水推进泵的转速控制方法。当喷水推进泵偏离设计工况时，分别改变首次级叶轮的转速。研究发现，当流量大于1.0Qd时，提高次级叶轮转速，喷水推进泵的效率提高;当流量小于1.0Qd时，降低首级叶轮转速，喷水推进泵的效率提高，得到各个工况下的最优转速。在0.9Qd时，降低首级叶轮到最优转速后，首级叶轮进口冲角减小，泵内湍动能变小，紊流程度减弱，湍流耗散率降低，流动损失减小，喷水推进泵效率提高。
　　4.研究了转速控制方法对喷水推进泵进口预旋的影响。研究发现，小流量工况下，喷水推进泵内出现不稳定流动，同时首级叶轮进口出现预旋。对比了转速改变前后喷水推进泵轴面速度分布，结果显示降低首级叶轮转速后，进口预旋消失，首级叶轮内流动改善，但是次级叶轮和导叶内的不稳定流动区域增大。
　　5.对喷水推进泵轴向推力进行了数值计算，分析了空化条件下的轴向推力特征。研究发现，泵的轴向推力曲线在0.6Qd～0.4Qd出现正斜率现象，分别计算了两级叶轮的轴向推力，发现只有次级叶轮出现正斜率现象。两级叶轮的轴向推力均存在空化临界点，空化初始阶段，首级叶轮的轴向推力先上升，当NPSHA=4.78m时达到最大值，随后开始下降。不同的是，起始阶段次级叶轮的轴向推力缓慢下降;随着NPSHA下降到3.76m后，轴向推力曲线陡降。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 本文的研究目的和意义

1．2 国内外喷水推进泵研究现状及分析

1．2．1 喷水推进泵效率研究现状

1．2．2 喷水推进泵推力研究现状

1．2．3 喷水推进泵空化研究现状

1．2．4 国内外研究现状分析

1．3 本文研究内容

第二章 喷水推进泵理论

2．1 喷水推进介绍

2．2 喷水推进器的特征速度

2．3 泵理论概述

2．3．1 泵设计理论

2．3．2 扬程和效率

2．3．3 泵的比转速

2．3．4 泵的变频调节

2．4 喷水推进器推力

2．4．1 喷水推进器推力介绍

2．4．2 推力的产生机理及控制方式

2．5 本章小结

第三章 喷水推进泵的数值计算

3．1 喷水推进泵数值模拟方法

3．1．1 控制方程组的离散

3．1．2 计算模型

3．2 水力设计

3．2．1 网格划分

3．2．2 网格无关性检验

3．2．3 边界条件

3．3 计算结果分析

3．4 喷水推进泵的流场分析

3．5 本章小结

第四章 喷水推进泵的转速控制方法

4．1 外特性分析

4．1．1 次级叶轮转速控制

4．1．2 首级叶轮转速控制

4．2 内部流动分析

4．2．1 速度分析

4．2．2 能量分析

4．3 本章小结

第五章 喷水推进泵的进口预旋

5．1 进口预旋的介绍

5．1．1 进口预旋的分析

5．1．2 进口截面处圆周速度

5．1．3 过流部件速度分析

5．2 转速控制后泵内部流动分析

5．3 本章小结

第六章 喷水推进泵的轴向推力研究

6．1 额定工况下喷水推进泵的轴向推力

6．2 轴向推力的分布

6．3 空化条件下喷水推进泵的轴向推力

6．3．1 控制方程及空化模型

6．3．2 计算结果及分析

6．3．3 叶轮流道内空泡体积分布

6．3．4 叶轮表面轴向推力

6．4 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 研究总结

7．2 研究展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果