混流泵叶轮与导叶耦合模式的瞬态效应及多参数匹配规律研究

Because of the outstanding merits of compact structure, easy to start and high efficiency, mixed flow pump has been applied to desalination unit, power plant and nuclear power water cycle system. Impeller-guide vane coupling structure as the "heart" of energy conversion in a mixed flow pump, its structural type can describe as two types:impeller-guide vane axial coupling mode and impeller -guide vane radial coupling mode.At present,there are a variety of problems such as unreasonable parameter matching law of impeller-guide vane,low efficiency, and unstable operating characteristics,etc.In order to improve the parameter matching law of a mixed flow pump impeller-guide vane,the high performance mixed flow pump hydraulic model is investigated in this project based on the methods of numerical simulation,particle image velocimetry (PIV) measurement and performance test. Parameter matching schemes of a mixed flow pump impeller-guide vane is defined by using orthogonal testing method.Numerical results show the parameter matching relationship of a mixed flow pump impeller-guide vane by introducing the idea of multiple parameter matching，and clarify the flow field structure of the transient process by the methods of flow field analysis and diagnosis,as well as establish the relationship between parameter matching law and characteristic curves of a mixed flow pump impeller-guide vane.For the development of high efficiency & energy saving, mute & low noise, high reliability of a mixed flow pump，it would open up a new way of thinking.

混流泵具有结构紧凑、易启动以及效率高等突出优点，广泛应用于海水淡化系统、舰船喷水推进装置和核电站反应堆冷却剂循环系统。混流泵叶轮与导叶耦合结构作为能量转换的"心脏"，结构型式为叶轮-导叶轴向耦合模式和叶轮-导叶径向耦合模式。目前，混流泵存在叶轮与导叶的参数匹配不合理，机组效率较低，不稳定的运行特性等问题。为了揭示混流泵叶轮与导叶的参数匹配规律，以研制高性能混流泵水力模型，选择轴向耦合模式和径向耦合模式的混流泵为研究对象。运用正交试验设计方法, 确定混流泵叶轮与导叶的参数匹配组合方案。基于数值模拟、粒子成像测速测量和外特性试验相结合的方法，引入"多参数匹配"的思想，揭示混流泵叶轮与导叶的参数匹配关系；采用流场解析及诊断技术阐明混流泵叶轮与导叶瞬态过程的流场结构,建立混流泵叶轮与导叶参数匹配规律和特性曲线的相互关系，为研制"高效节能、静音低噪、高可靠性"的混流泵开辟新的设计思路。

混流泵动静叶栅内部非定常流动机制，已成为混流泵水力部件设计需突破的共性理论问题。为揭示混流泵叶轮与导叶的参数匹配规律，研制高效混流泵水力模型为。选择轴向耦合模式的斜流泵和径向耦合模式的核主泵为对象，运用正交试验法、数值模拟和外特性试验方法，引入“多参数匹配”和“比面积调控”思想，研究核主泵动静叶栅多参数匹配规律和数值优化方法，揭示叶顶间隙值对斜流泵内部动静叶栅的非定常流动特性的影响规律。.斜流泵方面，研究了混流泵动静叶栅流场结构的流动干涉机理，揭示了失速工况下斜流泵内部流动不稳定特性正斜率抑制机理，获得了混流泵叶顶间隙泄露涡结构演化过程，阐明了叶顶间隙对斜流泵内部空化流动及其空化稳定性条件，提出了叶顶间隙贴附射流产生机理和数学模型。为了抑制空泡团初生和发展，防止叶片表面空泡发生脱落，可以选择较小的RTC值。为了抑制小流量工况下斜流泵流量-扬程正斜率曲线，改善泵运行时的水力稳定性，抑制叶顶间隙区域的贴附射流效应和泄漏涡结构，相对叶顶间隙取值0. 172%和0. 344%范围。为了使叶片表面空泡稳定地附着在叶片表面不产生脱落，提高空化稳定性，相对叶顶间隙取值在0.172%~0.344%。.核主泵方面，研究了核主泵几何参数对水力性能的显著性因素，比较了缩比系数对核主泵动静叶栅水力性能的影响规律，数值验证了核主泵缩比模型水力性能换算关系，基于比面积调控揭示了核主泵动静干涉几何参数最优匹配规律，建立了核主泵叶片数匹配关系、水力性能和内部流动规律之间的量化关系，数值验证了核主泵稳定运行工况在0.8 Qd~1.2Qd之间。揭示了核主泵动静叶栅比面积最优值为0.835时，动静叶栅几何参数达最优匹配度。研究表明，缩比模型大于0.3时，可根据泵相似换算准则进行性能换算；核主泵叶轮与导叶最佳叶片数匹配为(Z1=4, Z2=9)、(Z1=5, Z2=12)和(Z1=6, Z2=11)，即最佳的导叶叶片数位于叶轮叶片数的2倍。.上述研究成果已应用于大型斜流泵叶顶间隙值的选择和核主泵高效水力模型的开发，为完善混流泵设计理论和应用提供了理论依据。