潜水轴流泵,具有潜水泵与轴流泵的双重特性,采用机电一体化设计,既可潜入水中高效作业,又具有轴流泵流量大、扬程低的特点。潜水轴流泵属于叶片式泵,叶片泵发展方向之一是高速化,提高转速可以大大缩小泵的体积,减轻泵的重量,便于潜水泵小型化和轻型化,我国虽已研制出许多优秀的潜水轴流泵水力模型,但大多数轴流泵产品处于低转速范围运行,主要是由于潜水轴流泵的高速化仍受到许多关键性因素的制约。本文基于数值模拟与试验,对高速潜水轴流泵展开分析,重点研究了潜水轴流泵高转速状态的内流特性、空化特性以及转子动力学特性。本文主要研究内容如下:(1)采用UG对高速潜水轴流泵主要过流部件进行实体造型,采用ANSYS ICEM进行结构化网格划分,采用ANSYS CFX对泵水体模型进行数值模拟,通过对比试验结果,验证数值模拟结果的可靠性,并对不同工况下高速潜水轴流泵内流特性展开分析。(2)采用SSTk-?湍流模型对高速潜水轴流泵进行非定常数值模拟,对轴流泵主要过流部件内的压力脉动及轴向力变化规律进行研究。泵内叶轮进口处压力波动较为规律,幅值呈现周期性变化,叶轮出口及导叶出口处小流量下压力波动较为紊乱。潜水轴流泵流道内各监测点处主频主要表现为叶片通过频率,小流量工况下由于叶轮导叶动静干涉作用较为剧烈,存在较高的回流冲击量导致叶轮出口监测点处主频并非轴频。各流量工况下轴向力随着时间呈现出周期性变化,但流量变化整体上对叶轮所受轴向力影响较小。(3)选取Zwart、Kunz以及Schnerr-Sauer三种空化模型,在大流量工况下进行外特性数值模拟。通过对比试验数据发现,采用Schnerr-Sauer空化模型预测外特性变化趋势与试验值最为吻合。在同一空化数下,叶片空化状况随流量增加逐渐加重,叶片载荷分布由叶片进口边到出口边呈现出先增大后减小的趋势。各流量下空泡首先出现在叶片背面进口前缘位置,随着空化数的减小,空泡体积分数沿着主流方向朝叶片出口不断增大直至占据整个叶片背面。叶片背面处的三角形云状空化尾缘空穴极不稳定,随着叶轮旋转,尾缘处空泡微团逐渐脱落,朝着相邻叶片不断移动,对相邻叶片的工作面产生侵蚀破坏,导致叶片载荷发生变化。(4)对高速潜水轴流泵转子部件进行单向流固耦合计算,发现不同工况下叶轮工作面及背面总变形均为沿径向从叶根到叶顶逐渐增大,至叶片进口前缘靠近叶顶处达到最大,且叶轮的主要变形为周向变形。叶轮所受应力为沿径向从轮毂到轮缘处逐渐减小,在叶片前缘靠近轮毂处达到最大。各空化数下叶片总变形量与叶片应力均小于无空化工况,叶片总变形与叶片等效应力均随着空化数的减小而减小,随着转速的增高而增大。预应力的加载并不会改变转子系统的各阶振型,只会导致各阶振幅与固有频率发生微小的改变,转速、流量的变化也并不会对转子系统的固有频率产生较为明显的影响。