喷水推进作为一种特殊的船舶推进形式,其使用范围越来越广,从民用小艇到军事舰船再到科研装备,喷水推进以其良好的机动性、耐用性、适航性等优点,获得了越来越多的认可。因此研发、改进性能优良的喷水推进装置,成为喷水推进制造企业所热衷的课题。本文以“艇用喷水推进动力总成新产品开发”的企业研发项目为研究背景,根据要求对某型喷泵与额定功率96kW、额定转速3600r/min的柴油机连接进行动力总成匹配验证,该匹配情况在实际运行中,易出现喷泵效率较低等现象,因此根据验证结果需对动力总成匹配作出调整,在使用96kW柴油机的前提下,通过反问题设计方法对喷泵叶片进行改进,提升喷泵性能并实现动力总成的合理匹配,同时为新产品开发提供方法支撑及理论参考。针对上述研究目的,本文主要研究内容如下:1.对原始喷泵在试验转速2900r/min下进行多流量数值模拟,将计算结果与产品试验数据对比,验证数值模拟的有效性。根据相似理论将试验结果转换至3600r/min时所对应的数据,对动力总成匹配进行验证。通过泵理论计算3600r/min额定转速及96kW额定功率下喷泵的改进目标,并将原始喷泵在目标工况下以数值模拟的方法验证动力总成匹配情况,分析其性能及流场表现,并为后续改进提供参考。2.将反问题方法与大量的数值模拟相结合,依次探究子午面形状、动叶片载荷分布、叶片积叠方式、叶片厚度分布、导叶载荷分布、导叶出口叶型修整等反问题控制参数对于喷泵叶片几何、喷泵外特性及内流场的影响,并总结影响规律。3.参考探究规律,通过反问题方法对喷泵动叶轮及导叶进行最终改进设计,并通过多流量数值模拟对喷泵性能进行预测。通过以上工作,获得如下结论:1.通过原始喷泵验证了数值模拟方法的有效性,为后续研究奠定基础。在3600r/min的转速下,试验流量所对应的喷泵效率较低,所需功率易超过额定功率,表明机-泵匹配存在问题。为满足动力总成匹配,计算得到喷泵的改进目标为额定转速3600r/min,额定流量300kg/s,设计扬程26m,额定功率96kW。目标工况下,原始喷泵的仿真结果显示,此时喷泵效率为70.2%,所需轴功率为113kW,超过最大输出功率,并且流道内低压范围较广,存在流动分离、二次流及漩涡等较差的流动状况。2.对反问题控制参数的影响规律探究发现,子午面形状对叶片造型、喷泵外形、喷泵效率及内流场均有显著影响;动叶片叶根载荷前置有利于提升动叶轮效率,叶根载荷后置有利于抑制吸力面空化,叶梢载荷后置不利于抑制空化,但将喷泵工况范围向大流量方向扩展;叶片正积叠方式有利于提升动叶轮效率,但造成叶片扭曲加重;NACA翼型叶片厚度分布,有利于提升动叶轮效率,改善叶片表面压力分布;导叶叶根载荷前置叶梢载荷后置可改善流场状况,获得最高导叶效率;导叶出口叶型的修整可改善导叶出口压力分布,提升抗空化性能。3.改进后喷泵在设计流量下,效率为81.98%,动叶轮效率91.02%,设计工况附近最高效率83.04%,设计扬程26.4m,轴功率94.3kW,流场内流动均匀,外特性满足设计要求及动力总成匹配;非设计工况下,小流量时泵内流动出现紊乱,不宜长时间工作,大流量时,喷泵性能较好,但随流量的增加,喷泵性能下降较快。