低比转数离心泵一般指比转数ns=30~80的离心泵,具有流量小、扬程高的特点。效率偏低、内部流动易失稳、运行不稳定是低比转数离心泵最突出的问题。其中,运行稳定性是泵安全使用的前提,而泵运行不稳定是由其内部流动不稳定引起的,包括流动结构和能量结构变化等因素的影响。因此,研究离心泵的稳定性需要分析其内部流动特性,进而分析导致离心泵运行不稳定的内在机理。同时,采用分流叶片设计法已成为改善低比转数离心泵内部流场的重要途径。为分析添加分流叶片对低比转数离心泵性能和内部流动特性的影响,本文以有/无分流叶片两种方案为研究对象,其中两种方案分别为4+4方案和6方案。目前,试验流体力学和计算流体力学是分析低比转数离心泵内部流动特性的两种主要方法。因此,本文采用试验测量和数值计算相结合的方法,对低比转数离心泵有/无分流叶片两种方案的内部流动特性及其对泵性能的影响进行分析,以揭示分流叶片对内部流动影响的内在机理,为完善分流叶片设计法和提高低比转数离心泵性能提供理论基础。本文主要的研究内容和创新点为:1.采用PIV测试技术对两种方案在不同工况、不同相位下叶轮流道内的速度场进行测量,分析内部不稳定流动结构的发生和发展规律,以揭示内部不稳定流动对离心泵性能的影响。同时,分析分流叶片对泵性能曲线和内部流动特性的影响。研究结果表明:4+4方案各流量点的扬程均高于6方案,且6方案的驼峰现象比4+4方案严重。两种方案叶轮流道内的绝对速度随流量变化不大,4+4方案流道内的绝对速度比6方案稍大,但6方案的速度分布比4+4方案均匀。在设计工况下,两种方案的相对速度分布基本沿叶片型线流动;在大流量工况下,由于隔舌对流体的堵塞会导致流体在4+4方案流道中间和6方案流道出口积聚,形成高速区;而在小流量工况下,4+4方案叶轮流道内的相对速度分布比6方案均匀,且低速区面积较小,速度梯度小,说明6方案在小流量工况下更易失稳,从而产生流动分离、回流、漩涡等不稳定流动结构,导致其性能曲线更易出现驼峰;同时,分流叶片可抑制叶轮流道内尾流的发展,从而改善叶轮出口处的“射流—尾迹”结构。在小流量工况下隔舌对内部流动的影响最大,在设计工况下隔舌对内部流动的影响最小。2.对不同工况下两种方案的内部流场进行数值计算,分析流体在进水段、叶轮和蜗壳内的流动特性,并利用速度螺旋度表示流体在蜗壳内的二次流强度,以揭示小流量工况下性能曲线形成驼峰的内在原因及分流叶片对驼峰现象的影响。同时,首次对低比转数离心泵的内部流动进行能量梯度分析,并与其内部压力分布和湍动能分布进行对比,以发现表征内部不稳定流动的最佳参数。研究结果表明:两种方案在小流量工况下均存在不同程度的驼峰,且6方案的驼峰现象比4+4方案严重,驼峰现象的产生原因主要有三个方面:(1)在小流量工况下,两种方案叶轮进口会出现回流且会逆着主流方向回流至进水段,造成流道堵塞,由于进口回流存在圆周方向的速度分量,根据泵基本方程可知,该流动结构会使泵扬程下降。(2)在小流量工况下,6方案中靠近隔舌的叶轮流道内存在旋转方向相反的进、出口漩涡且在流道内不断发展甚至会堵塞整个流道,从而降低流道的过流能力,使得在叶片进口区域存在大面积回流区,导致泵扬程下降。但4+4方案由于分流叶片对进、出口漩涡发展具有一定的限制作用,从而保证流道具有一定的过流能力,使得扬程下降幅度减小,即驼峰现象减轻。(3)在小流量工况下,蜗壳截面内的反向对称漩涡不再对称且其中一侧漩涡的发展占主导地位。在6方案中,另一侧漩涡不断被挤压至叶轮出口处,从而影响叶轮做功能力和蜗壳的能量转换能力,导致泵扬程下降;但在4+4方案中,另一侧漩涡在蜗壳截面内仍占据一定的范围,能力损失减小。同时,随着流量的减小,泵内部压力梯度、湍动能和能量梯度均逐渐增大,说明流动易失稳,从而诱发驼峰现象;对比内部不稳定流动的不同表征参数可知,能量梯度对内部失稳区域的表征更全面、明显。3.对比分析两种方案的扭矩、径向力、周向压力分布、叶轮内的非定常流动及隔舌区域的脉动特性,以揭示分流叶片对内部非定常流动特性的影响。研究结果表明:两种方案在小流量工况下扭矩随时间呈类似正弦曲线波动且脉动最大;在设计工况和大流量工况下由于叶轮内部流动结构相对稳定使得扭矩脉动较小,但在大流量工况扭矩的变化趋势与设计工况和小流量工况相反,呈类似余弦曲线变化。在不同工况下4+4方案的径向力及其脉动幅值均比6方案大,说明添加分流叶片使得叶片与隔舌的动静干涉作用增强,水力不平衡性增加。两种方案叶轮出口周向压力分布在设计工况下比较均匀,但在非设计工况下脉动明显增大,且在大流量工况下的变化趋势与小流量工况相反;压力分布波动数与叶片数有关,4+4方案周向压力脉动比6方案明显,且在隔舌区域的脉动最大,说明隔舌区域动静干涉作用最强。当叶片逐渐靠近隔舌时,在叶片压力面出口位置处形成低速区并产生与叶轮旋转方向相反的漩涡;而当叶片远离隔舌时,出口漩涡逐渐消失。靠近隔舌区域的脉动特性是由叶轮和蜗壳内流动结构和动静干涉作用共同影响形成的,在设计工况和大流量工况下的影响因素主要是“射流—尾迹”结构和回流,而在小流量工况下主要受叶轮出口漩涡的影响,且由于4+4方案动静干涉作用增加,使其靠近隔舌区域的脉动比6方案大。