轴流泵是大流量低扬程泵站的核心部件,其性能的好坏直接决定了泵站的安全与高效运行,在城市防洪排涝、喷水推进、农田排水灌溉、工业、水处理、水环境、心脏血泵以及核电循环管路系统中得到了广泛应用,随着国民经济的发展扮演着越来越重要的角色。而轴流泵在远离设计工况特别是小流量工况马鞍区附近运行时,叶轮内部强烈涡带会造成不稳定流场、压力分布,严重时甚至会引起整个机组的强烈震动。小流量工况下轴流泵表现出来的不稳定性现象严重制约着轴流泵的性能,对整个泵站系统的安全稳定运行构成极大威胁。特别是近年来极端气候的频繁变化,降水时空分布不均,轴流泵站的安全可靠性经历着极大的考验。探讨轴流泵失速形成的规律,揭示轴流泵叶轮内部不稳定流动的三维非定常现象,拓宽轴流泵的稳定运行范围,提高轴流泵在极端条件下的应急能力,确保轴流泵站的安全稳定运行,具有重要的社会价值和现实意义。为深入研究轴流泵失速形成的机理,在不锈钢和有机玻璃搭建的试验台上,针对一比转速为825的轴流泵展开研究。首先,通过轴流泵外特性试验,获得了不同转速下轴流泵的性能曲线,确定其失速区范围,基于此分析比较轴流泵系列型谱的外特性曲线,并依照最高扬程出现的位置和流量扬程拐点出现的次数进行了分类。其次利用高速摄像机拍摄的示踪气泡在叶轮进口及叶轮内部形成的轨迹揭示了轴流泵不同流量工况下流场结构的特点,重点比较了失速工况下叶轮进口流场摆动特性和失速后轴流泵内部涡带结构分布。然后,利用高频压力传感器对叶轮室进出口外边壁的压力脉动进行了测试,比较分析了失速前后不同转速及不同测点下轴流泵压力脉动的时域及频域分布。利用LDV对轴流泵进行了测试,获取了典型工况下轴流泵内流场的三维速度分布,比较了失速前后各个速度的变化趋势。最后借助CFD对轴流泵进行了仿真计算,获得失速前后详细的内部流场结构,分析了涡带在失速前后的作用及形成机理。针对小流量工况下轴流泵出现的不稳定特性,本文从能量性能测试、内部流场高速摄像机拍摄、叶轮室进出口壁面的压力脉动测试、叶轮内部速度场的LDV测试及CFD仿真计算等方面展开了研究,主要创新性成果如下:1、通过分析比较不同转速下轴流泵的能量特性曲线,发现轴流泵流量扬程曲线在通常认为的马鞍区之前存在另一个拐点,类似一段小马鞍区。本文中的轴流泵在0.55-0.60 QBEP工况附近扬程曲线出现拐点,并且对应的流量轴功率曲线也有相应的正斜率区间,叶轮进口外缘的切向速度迅速增加,叶轮室进口的压力脉动峰峰值在此区域存在局部峰值。能量试验及高速摄像机内流场拍摄表明,轴流泵内流场运行基本稳定。研究表明此区域的产生为叶轮进口外缘的切向速度受叶轮旋转的诱导增长较快,引起水流的冲角减小所致。2、在轴流泵失速前后,泵段均能稳定运行。而处于不稳定运行区域,叶片背面尾缘近轮缘侧出现不稳定的通道涡结构,对应叶轮进口出现了不稳定的来流速度分布,导致叶轮运行不稳定。在失速前,叶轮近轮毂和轮缘侧已开始出现回流结构,失速后,叶轮通道内形成的通道涡带结构相对叶片保持稳定,涡带与叶轮旋转方向相同,一直延伸至叶轮的进口,在此涡带的影响下,叶轮进口的压力脉动向来流方向延伸,叶轮出口的压力脉动峰值开始大于叶轮进口。流量扬程的不稳定为通道涡的不稳定性造成,而失速后,扬程降低是通道涡引起的水力损失过大所致。3、阐述了轴流泵叶轮室压力脉动产生的机理,旋转叶片吸、压力面对固定叶轮室的作用而生成了压力脉动,分析并解释了压力脉动分布与叶轮进口切向速度变化的关系。在流量扬程曲线出现拐点的地方,受间隙泄漏涡的影响叶轮进口频谱图出现宽带低频分布。间隙泄漏涡在扩散的同时,频率不断发生变化,引起了进口压力脉动出现了宽带低频的分布现象,且随着流量减小,叶片正负压力差值增大,泄漏涡增强,影响范围扩大,频率减小,分布范围向低频带迁移。