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高速高压和大功率是车载消防离心泵的发展趋势,向大功率发展就要求离心泵必须具有良好的工作稳定性和可靠性。离心泵内压力分布和流动状态会直接影响泵的性能稳定性;同时,泵内不稳定流动引起的压力脉动、瞬态流体激振力,则会影响离心泵振动稳定性。因此,离心泵内不稳定流动特性、振动特性以及不稳定流动对振动作用规律的研究极为重要。同时,输送介质的不同,离心泵配备不同的叶轮结构。最常见的叶轮结果形式为闭式叶轮,而在输送含有杂质的消防介质时则会采用半开式和开式叶轮。因此开展不同叶轮结构形式对离心泵运行稳定性、可靠性的影响研究也十分重要。针对上述问题,本文通过外特性试验、动态压力试验和振动试验,同时结合数值计算和熵产理论,对三种典型叶轮(闭式、半开式、开式)模型离心泵的性能稳定性、振动稳定性以及泵内不稳定流动对振动的作用规律进行研究。主要内容和研究结果如下:(1)离心泵运行稳定性的影响规律研究。为揭示离心泵内叶轮结构形式及流量工况对其运行稳定性的影响规律,对三种典型叶轮结构模型泵进行外特性试验、动态压力试验及振动试验研究。在离心泵性能稳定性试验研究中发现,三种叶轮在输送清水介质时,闭式叶轮的性能稳定性最好,而开式叶轮性能稳定性最差,尤其在大流量工况。小流量时隔舌区和泵出口压力脉动对泵运行稳定性均有较大影响,随着流量的增加,隔舌区的影响程度下降,而泵出口处的影响程度逐步递增。通过离心泵振动稳定性试验发现,闭式叶轮振动稳定性最好,开式叶轮振动稳定性最差。叶频处的压力脉动对泵壳体振动稳定性影响大,轴频处的压力脉动是影响泵转子振动稳定性的主要因素;流量变化对转子振动稳定性正相关,即随着流量的增加,转子系统振动加强,流量变化对泵壳体振动稳定性的影响则正好相反。(2)离心泵内不稳定流动特性及内部流动损失研究。为研究叶轮结构形式及流量工况对模型泵内不稳定流动结构、流动损失的影响规律,本文结合数值计算和熵产理论,研究三种典型叶轮结构及不同流量工况时模型泵内部熵产大小和位置。研究发现,闭式叶轮离心泵不稳定流动结构和流动损失集中口环间隙附近及叶轮流道与平衡孔交界处;半开式叶轮离心泵流道内不稳定流动结构和流动损失主要集中在叶轮流道内靠近叶顶间隙处;开式叶轮离心泵中,流道内不稳定流动结构和流动损失主要集中在叶片流道的中后部区域。闭式叶轮离心泵中口环间隙处流动损失较大,且随着流量的增加流动损失变大。小流量时,闭式叶轮流道出口隔舌区流动损失最大,随着流量增加流动状态改善,流动损失降低;大流量时泵出口隔舌区流动损失陡增。(3)流固耦合作用下模型泵动力学特性研究。为研究叶轮结构形式及流量工况对模型泵结构场动力学特性影响,本文基于全流场数值计算对模型泵进行流固耦合求解,研究三种典型叶轮结构及不同流量工况下模型泵瞬态径向力、等效应力以及振动特性。研究发现,闭式叶轮径向力和等效应力最大,且等效应力集中在口环处,但是叶轮振动速度最小;半开式叶轮等效应力集中在叶片前缘和尾缘处;开式叶轮径向力最小,等效应力集中在叶片前缘、尾缘以及叶片中间位置。虽然闭式叶轮径向力及等效应力最大,但其振动最小,由此说明闭式叶轮具有的前后盖板对泵的振动起到了一定的抑制作用。各流量工况下,蜗壳径向力均大于叶轮径向力,蜗壳径向力对流量变化更为敏感,其波动程度更剧烈。模型泵叶轮及蜗壳所受径向力大小及波动在设计流量时较小,但偏离设计工况时增大,并在小流量最大。(4)离心泵内不稳定流动对泵振动影响规律研究。为进一步研究泵内压力脉动、瞬态径向力与振动特性之间的关联,同时研究工况变化对泵振动和流动损失的影响规律。对偏离工况时闭式叶轮模型泵内不稳定流动规律以及次流动区域压力脉动对泵动力学特性的影响进行研究。研究发现,小流量时,蜗壳隔舌区流动损失最大,且受到叶片与隔舌动静干涉作用呈现以叶频为主频的脉动特性;大流量时,蜗壳出口流动损失最大,但对动静干涉不敏感,泵内不稳定流动脉动以轴频为主频。叶轮口环间隙处的压力脉动与叶轮径向力和叶轮转子系统振动成正相关,口环间隙内不稳定流动在一定程度上决定了径向力及叶轮振动的变化趋势。小流量工况时,蜗壳隔舌区的压力脉动主导了径向力及低频段振动加速度变化,随着流量的增加隔舌区对径向力和振动加速度的影响逐渐减小,而泵出口处低压区内的不稳定流动对径向力和振动加速度的影响逐渐递增。模型泵内不稳定流动诱导产生的振动主要集中在低频段。同时根据低频段泵壳体振动能量随流量的变化规律得到了振动能量与流量之间的映射关系。泵内总能量损失与单位体积能量损失均在关死点最大,并随着流量的增加逐渐减小,在设计点处最小,同时在大流量时能量损失又逐渐增加。