離心式航空燃油泵研究現(xiàn)狀與展望

（航空工業(yè)成都凱天電子股份有限公司，成都 610091）

0 引言

航空燃油泵是一種特殊的航空機(jī)電設(shè)備，雖是三類產(chǎn)品，但屬于機(jī)載系統(tǒng)中核心部件［1］。航空燃油泵以輸送各類航空油料為主，給發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油系統(tǒng)提供一定的流量及壓力。依據(jù)自身的特性主要分布在燃油供油系統(tǒng)（在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中向APU和發(fā)動(dòng)機(jī)供油，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)向燃燒室供油供油）、燃油輸油系統(tǒng)（將其它儲(chǔ)油箱的燃油轉(zhuǎn)輸至供油油箱）、燃油散熱系統(tǒng)（利用燃油對(duì)其它機(jī)載設(shè)備進(jìn)行散熱）、主燃油泵系統(tǒng)（齒輪本系統(tǒng)、軸向柱塞泵系統(tǒng)）等［2］。從結(jié)構(gòu)型式可分為離心式、旋渦式、容積式與射流式；從動(dòng)力方式可分為：電動(dòng)泵（28VDC、270VDC、115VAC）、發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱傳動(dòng)主泵、渦輪驅(qū)動(dòng)的渦輪泵；從維護(hù)性可分為：一體式與分裝式；從功能可分為供油泵、輸油泵、啟動(dòng)泵、散熱泵和應(yīng)急放油泵等。

離心式航空燃油泵的葉片型式為離心結(jié)構(gòu)，具有高轉(zhuǎn)速（7 000～15 000 r/min）、增壓不大于1 MPa、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、供油平穩(wěn)、工作可靠等特點(diǎn)，其涉及到固體力學(xué)、流體力學(xué)、工程力學(xué)、機(jī)械電子、流體機(jī)械及工程、材料加工工程、電機(jī)與電器等二級(jí)學(xué)科門類［3］。目前國(guó)內(nèi)國(guó)外針對(duì)離心式航空燃油泵的研究較少，本文通過(guò)對(duì)離心式航空燃油泵特殊的結(jié)構(gòu)形式、復(fù)雜的運(yùn)行工況，結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)以及試驗(yàn)測(cè)試等方面進(jìn)行分析。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

離心式航空燃油泵的結(jié)構(gòu)可分為兩大類型［4］：（1）經(jīng)典的整體式結(jié)構(gòu)，即泵芯組合（葉輪、電機(jī)）與泵殼組合為一個(gè)整體，浸沒(méi)在飛機(jī)油箱底部，維修時(shí)將泵整體取出，如圖1所示。（2）為了維修方便所設(shè)計(jì)的分裝式結(jié)構(gòu)，即泵芯組合與泵殼組合可分開(kāi)為L(zhǎng)RU（Line Replaceable Unit，外場(chǎng)可更換單元/現(xiàn)場(chǎng)可更換單元）［5］，維修時(shí)只需將泵芯抽出，無(wú)需排空油箱燃油，泵體自密封，如圖2所示。

圖1 整體式結(jié)構(gòu)

圖2 分裝式結(jié)構(gòu)

2 運(yùn)行特點(diǎn)

離心式航空燃油泵與普通離心泵相比，運(yùn)行環(huán)境、輸送介質(zhì)、飛機(jī)平臺(tái)等不同，具有以下特點(diǎn)：全流量范圍運(yùn)行、高低空-高低溫長(zhǎng)航時(shí)（固定翼轟炸機(jī)）、大過(guò)載與高機(jī)動(dòng)（固定翼戰(zhàn)斗機(jī)）、抗墜毀（旋翼直升機(jī)）、高M(jìn)TBF（Mean Time Between Failure，平均故障間隔時(shí)間）（所有機(jī)型）、高效低噪聲（所有機(jī)型）。

3 典型的離心式航空燃油泵

Eaton和Park是國(guó)際燃油泵主要兩大供應(yīng)商，產(chǎn)品具有高M(jìn)TBF；安裝方便，無(wú)需排空油箱內(nèi)燃油；自潤(rùn)滑、冷卻軸承；干運(yùn)行能力；低噪音；可靠、免維護(hù)；防爆、熱保護(hù)等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于 Boeing、Airbus、Agusta、C919 系列客機(jī)、C17 運(yùn)輸機(jī)、Lockheed Martin F35隱身戰(zhàn)斗機(jī)、Lockheed Martin F-16三代機(jī)、Sikorsky 黑鷹通用直升機(jī)、Northrop Grumman全球鷹偵察機(jī)等軍民主力機(jī)型。

4 典型動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

4.1 流體動(dòng)力學(xué)

4.1.1 偏工況運(yùn)行流動(dòng)分離

離心式航空燃油泵具有普通離心泵通用特征，但又有區(qū)別，如旋翼直升機(jī)用離心式航空燃油泵大多屬于低比轉(zhuǎn)速，其運(yùn)行流量范圍區(qū)間寬（10%Qd～100%Qd）、葉片出口寬度窄、葉輪直徑大、葉片流道長(zhǎng)、葉片間擴(kuò)散嚴(yán)重、水力損失大、效率低、性能曲線平坦、低溫運(yùn)行（-45 ℃）等特點(diǎn)［6-8］。一般采用長(zhǎng)短葉片或分流葉片技術(shù)來(lái)控制偏工況流動(dòng)分離，此技術(shù)在傳統(tǒng)低比轉(zhuǎn)速離心泵中應(yīng)用非常成熟，相關(guān)國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，并取得了突破性進(jìn)展。如王維軍等［10］采用變曲率長(zhǎng)短葉片控制非定常壓力脈動(dòng)，并且在沖壓焊接離心泵中成功應(yīng)用；袁壽其等［11］采用不同形式的分流葉片提高了泵楊程、改善了葉輪出口的“射流-尾流”結(jié)構(gòu)；陳松山等［12］對(duì)3副短葉片不同偏置的低比轉(zhuǎn)數(shù)復(fù)合葉輪離心泵，應(yīng)用粒子圖像速度儀分別測(cè)試大流量、設(shè)計(jì)流量和小流量3種工況下長(zhǎng)短葉片葉輪同一葉槽內(nèi)的瞬時(shí)流場(chǎng)，揭示短葉片不同偏置時(shí)的速度分布規(guī)律。再如固定翼戰(zhàn)斗機(jī)用航空燃油離心泵屬于中高比轉(zhuǎn)速［13］，涉及到大過(guò)載倒飛工況主-副葉輪匹配、額定-值班-加力不同工況下高效運(yùn)行、低溫高黏度流動(dòng)等問(wèn)題。

4.1.2 極限工況下非定?？栈鲃?dòng)

離心式航空燃油泵既要滿足起飛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的大流量耗油需求，又要保證巡航狀態(tài)小流量工況的耗油經(jīng)濟(jì)性。在部分極限工況運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的效率、揚(yáng)程、功率等外特性的急劇減小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)高空斷流、無(wú)法啟動(dòng)等現(xiàn)象，目前學(xué)者一致認(rèn)為造成該現(xiàn)象的根本原因就是空化［14］?？栈瘯?huì)引起燃油泵載荷的非定常變化，造成葉片的疲勞破壞，燃油泵葉片之間的相互作用，使得葉片流道內(nèi)空穴呈非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)大功率、高轉(zhuǎn)速一直是離心式航空燃油泵發(fā)展的趨勢(shì)，研究高空、高溫、低溫、大過(guò)載、失重-超重等極限工況下的空化性能及其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，精確預(yù)測(cè)燃油泵內(nèi)空化的發(fā)生和發(fā)展具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

目前，改善極限工況下空化性能有3種方式。（1）采用誘導(dǎo)輪增壓主動(dòng)提高離心葉輪進(jìn)口處的壓力［16］，該方法廣泛應(yīng)用于液體火箭渦輪泵、LNG低溫泵、飛機(jī)燃油泵等空化余量要求極低的裝置［17-18］。（2）采用被動(dòng)排氣結(jié)構(gòu)，該方法一般在泵殼上設(shè)計(jì)一種自密封排氣結(jié)構(gòu)，當(dāng)泵運(yùn)行時(shí)排氣閥被打開(kāi)，大量析出的空泡直接排入油箱中；當(dāng)泵停止工作時(shí)在油箱內(nèi)部壓力和重力的作用下排氣閥關(guān)閉。（3）葉輪進(jìn)口增壓，從泵出口引高壓流體，通過(guò)射流器后將速度能轉(zhuǎn)化為壓能，提高泵的抗空化能力［20］。

4.1.3 氣液兩相流問(wèn)題

離心式航空燃油泵在輸送航空煤油時(shí)由于壓力的變化、流動(dòng)的不穩(wěn)定、吸入液體不充分等影響，航空煤油可能會(huì)含部分不同氣相顆粒直徑氣體或者壓力變化較大時(shí)液體中的氣體析出，泵內(nèi)存在明顯的氣液兩相流現(xiàn)象，由于氣相是可壓縮的，在葉輪做功過(guò)程中，氣相隨著壓力的增高被壓縮，隨著壓力的減小釋放能量，造成泵進(jìn)一步運(yùn)行不穩(wěn)定，效率下降，噪聲加劇。離心泵氣液兩相流問(wèn)題很多學(xué)者做了大量研究，取得了顯著的成果［21］。

4.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)的一個(gè)分支，著重研究結(jié)構(gòu)對(duì)于動(dòng)荷載的響應(yīng)（如位移、應(yīng)力等的時(shí)間歷程），以便確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)力學(xué)特性，或?yàn)楦纳平Y(jié)構(gòu)的性能提供依據(jù)。包括動(dòng)載荷的特性、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析?？己艘罁?jù)是GJB150《軍用裝備試驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》第15部分加速度試驗(yàn)、第16部分振動(dòng)試驗(yàn)和第18部分沖擊試驗(yàn)。離心式航空燃油泵的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究還屬空白，無(wú)相關(guān)研究報(bào)道，僅有民用工業(yè)領(lǐng)域部分研究［23-24］。

4.3 耦合動(dòng)力學(xué)

在離心式航空燃油泵一體化設(shè)計(jì)中，存在結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)（流體、熱、聲等）相互作用的耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。近年來(lái)耦合動(dòng)力學(xué)一直是研究熱點(diǎn)，主要包括流固耦合［25］、熱固耦合［26］、聲振耦合［27］等。

泵內(nèi)部流體流經(jīng)過(guò)流部件時(shí)，流體與過(guò)流部件之間存在相互作用力，葉輪、蝸殼等過(guò)流部件受到流體流動(dòng)因壓力載荷而發(fā)生變形，而過(guò)流部件的變形會(huì)進(jìn)一步影響內(nèi)部流體流動(dòng)特性，降低離心泵的工作性能［28-31］，如轉(zhuǎn)子固有頻率降低、壓力脈動(dòng)幅值大、葉輪非線性微小變形與響應(yīng)、蝸殼瞬態(tài)動(dòng)響應(yīng)與動(dòng)屈曲等。流固耦合有單向耦合和雙向耦合2種耦合求解方法，其計(jì)算結(jié)果相差較小，單向耦合可滿足泵耦合特性分析［32］。

設(shè)計(jì)過(guò)程中為了結(jié)構(gòu)輕量化、外形尺寸精巧等，口環(huán)間隙、軸向竄動(dòng)間隙等僅0.1 mm，輸送的航空煤油RP-3溫度為-55～70 ℃，由于金屬、非金屬材料會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮等現(xiàn)象會(huì)造成泵體口環(huán)和葉輪口環(huán)形變量隨介質(zhì)溫度的升高而增大，轉(zhuǎn)子部件存在卡滯風(fēng)險(xiǎn)?；跁r(shí)間變化和空間變化的傅立葉—吉爾希浩夫溫度場(chǎng)方程是求解熱固耦合問(wèn)題的主要手段［26］。極端高低溫不同環(huán)境條件下的熱固耦合高精度應(yīng)用性仿真研究可為離心式航空燃油泵的初步設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料的選取等提供理論支撐。

聲振問(wèn)題（結(jié)構(gòu)與聲的交互作用）包括2個(gè)方面：（1）泵運(yùn)行過(guò)程中的輻射噪聲對(duì)平臺(tái)的影響，如偏工況流動(dòng)噪聲通過(guò)泵結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)，基于有限元結(jié)合邊界元的聲振耦合法（Finite Element Method/Boundary Element Method，F(xiàn)EM/BEM） 是主要研究手段，可計(jì)算出流體激勵(lì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)場(chǎng)流激噪聲及考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)的流動(dòng)噪聲，獲得不同性質(zhì)噪聲源的頻譜特性及內(nèi)場(chǎng)聲源在各個(gè)頻段下的貢獻(xiàn)量［33-34］。（2）平臺(tái)噪聲環(huán)境下對(duì)泵的影響，該問(wèn)題的研究目前還處于空白。基于系統(tǒng)性主動(dòng)控制技術(shù)、全頻段聲振耦合仿真分析的基礎(chǔ)研究對(duì)解決聲振問(wèn)題有現(xiàn)實(shí)意義。

5 未來(lái)研究方向

基于三維黏性流動(dòng)的三元葉輪反問(wèn)題設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，近年來(lái)離心泵三維葉片反問(wèn)題方法也取得了一定進(jìn)展，未來(lái)在離心式航空燃油泵的設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。

從水力、結(jié)構(gòu)角度而言，基于多目標(biāo)、多學(xué)科的離心式航空燃油泵優(yōu)化設(shè)計(jì)（試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)、速度系數(shù)法優(yōu)化設(shè)計(jì)、損失極值法優(yōu)化設(shè)計(jì)、CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)以及多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)）與基于粒子圖像測(cè)速法（Particle Image Velocimetry，PIV）、相位多普勒粒子分析儀（Phase Doppler Particle Analyzer，PDPA）可視化試驗(yàn)是未來(lái)研究的主要方面，包括全工況（啟動(dòng)、巡航、加力）的非定?？栈c控制技術(shù)、低噪聲低振動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行特性與設(shè)計(jì)技術(shù)、極限高度與極限速度下高效運(yùn)行理論、結(jié)構(gòu)可靠輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)等。

隨著無(wú)刷直流電機(jī)、交流變頻電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，飛機(jī)燃油系統(tǒng)中電動(dòng)泵的使用比例也越來(lái)越高，電動(dòng)離心泵的智能控制功能有著重要的意義，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)離心泵的控制器與全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī) 控 制 器（Full Authority Digital Engine Control，F(xiàn)ADEC）系統(tǒng)的交聯(lián)使得發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行自上而下的控制以獲得最高的系統(tǒng)效率和最快的響應(yīng)速度。而電機(jī)及控制器的狀態(tài)監(jiān)控、健康診斷技術(shù)的發(fā)展為電動(dòng)離心泵從定時(shí)維護(hù)到視情維護(hù)提供了基礎(chǔ)，對(duì)提高維修性有著重要的意義。

從系統(tǒng)角度而言，目前國(guó)內(nèi)離心式航空燃油泵的研發(fā)從仿制、改進(jìn)發(fā)展到了正向設(shè)計(jì)，航空工業(yè)正在全面推行基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）［35-36］，MBSE是建模的形式化應(yīng)用，用來(lái)支持系統(tǒng)的需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)活動(dòng)，這些活動(dòng)開(kāi)始于概念設(shè)計(jì)階段并持續(xù)到整個(gè)開(kāi)發(fā)和以后的壽命周期階段。系統(tǒng)工程的核心思想是“系統(tǒng)思想”系統(tǒng)“可大可小”，具有整體性、關(guān)聯(lián)性和環(huán)境適應(yīng)性一般屬性。離心式航空燃油泵雖是小產(chǎn)品，但是又是大系統(tǒng)，涉及的學(xué)科門類、利益相關(guān)者多，基于MBSE的離心式航空燃油泵是未來(lái)正向設(shè)計(jì)的主要手段，對(duì)提升行業(yè)水平有重大價(jià)值。

6 結(jié)論

離心式航空燃油泵是飛機(jī)燃油系統(tǒng)中核心設(shè)備，屬于國(guó)家戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一環(huán)，涉及諸多力學(xué)問(wèn)題。本文從流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、耦合動(dòng)力學(xué)等3個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望。

大力發(fā)展航空工業(yè)，是滿足國(guó)防戰(zhàn)略需要和民航運(yùn)輸需求的根本保證，是引領(lǐng)科技進(jìn)步、帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、提升綜合國(guó)力的重要手段。隨著新一代軍用、民用飛機(jī)的快速交付列裝，航空工業(yè)泵產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)高速發(fā)展，相信制約泵產(chǎn)品的力學(xué)問(wèn)題將會(huì)得到很大的改善。

致謝：

感謝江蘇大學(xué)流體中心王洋研究員、王勇研究員、曹璞鈺副研究員，蘭州理工大學(xué)能動(dòng)學(xué)院韓偉教授、黎義斌副教授，感謝航空工業(yè)611所鐘發(fā)揚(yáng)研究員、航空工業(yè)601所李堃副部長(zhǎng)和李皓璠工程師、航空工業(yè)161廠譚向軍研高、陸航駐成都地區(qū)軍代室陳東對(duì)本文提出有價(jià)值的意見(jiàn)和建議。