不同葉片型式對高速航空液冷泵的影響

趙 鑫，王維軍，譚向軍，吳大轉(zhuǎn)，李 寧，王曉全

（1.航空工業(yè)成都凱天電子股份有限公司，成都 610091；2.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310000）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，大功率元器件已經(jīng)成為航空產(chǎn)品的重要組件，傳統(tǒng)的以風(fēng)冷為單一散熱方式難以解決大功率、高熱流密度電力電子設(shè)備的散熱問題。利用液冷系統(tǒng)較高的冷卻效率和穩(wěn)定的工作特性，解決航空產(chǎn)品大功率電力電子設(shè)備冷卻問題逐步成為主流。液冷系統(tǒng)包括航空液冷泵、熱交換熱器、氣液分離器、注/排液恒溫活門等，其中航空液冷泵是系統(tǒng)的唯一動(dòng)力裝置，為系統(tǒng)提供了一定的壓力和流量。

航空液冷泵一般為低比轉(zhuǎn)速離心泵［1］，具有流量小、揚(yáng)程高、速度高（8 000～15 000 r/min）、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、工作可靠等特點(diǎn)，但同時(shí)由于葉輪外徑D2與葉輪出口寬度b2比值大、葉輪圓盤摩擦損失大、流動(dòng)分離嚴(yán)重、效率較低，造成該類型泵能量轉(zhuǎn)化率低。

國內(nèi)外學(xué)者針對低比轉(zhuǎn)速離心泵的流動(dòng)控制做了大量研究，取得了很多有益成果。張金鳳等［2-3］總結(jié)了分流葉片在葉輪機(jī)械中的應(yīng)用，并對比了有、無分流葉片，及分流葉片進(jìn)口直徑以及分流葉片周向偏置度對離心泵徑向力特性的影響，設(shè)計(jì)了5個(gè)具有不同分流葉片的葉輪。周漢濤等［4］分析低比轉(zhuǎn)速復(fù)合葉輪分流葉片起始直徑對蝸殼流道內(nèi)壓力脈動(dòng)的影響。趙偉國等［5］研究分流葉片對離心泵空化性能的影響，采用Zwart-Gerber-Belamri空化模型對無分流葉片及4種具有相同分流葉片進(jìn)口直徑、不同偏置度的葉輪方案進(jìn)行了數(shù)值模擬。KERGOURLAY等［6］研究了某型低比轉(zhuǎn)速離心泵的有、無分流葉片內(nèi)部流場及壓力脈動(dòng)。王維軍等［7］設(shè)計(jì)了葉片前伸頭部后掠與葉片前伸頭部直線3種葉輪模型（長短復(fù)合葉片），模擬分析表明改型的葉輪比常規(guī)型葉片空化性能好，葉片前伸直線型葉輪空化性能最優(yōu)。

目前針對航空液冷泵的研究較少，本文設(shè)計(jì)了3種不同型式葉輪模型，分析了葉片型式不同對航空液冷泵性能的影響，并對泵內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)非定常壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行了研究。

1 計(jì)算模型和網(wǎng)格

研究的對象為單級單吸離心式航空液冷泵，屏蔽式結(jié)構(gòu)，包括吸水室、葉輪和蝸殼，圖1示出了三維實(shí)體模型，圖2示出了液冷系統(tǒng)原理。

圖1 液冷泵三維實(shí)體模型Fig.1 Three dimensional model of liquid cooling pump

圖2 液冷系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of liquid cooling system

航空液冷泵的設(shè)計(jì)參數(shù)分別為額定流量Q=150 L/h、額定轉(zhuǎn)速n=9 500 r/min、額定增壓ΔP=60 kPa、比轉(zhuǎn)速58、額定供電電壓U=28V DC，I≤0.8A，輸送介質(zhì)為65號冷卻液。

主要幾何尺寸：葉輪外徑D2=22 mm，葉片出口寬度b2=2 mm，蝸殼基圓直徑D3=23 mm，蝸殼進(jìn)口寬度b3=5 mm，蝸殼型式為螺旋形，斷面為矩形。圖3為3種不同葉輪模型，模型1為六長圓柱葉片；模型2葉片數(shù)為五長五短交錯(cuò)葉片；模型3葉片數(shù)為六長六短交錯(cuò)葉片，葉片進(jìn)出口角為85°，葉片呈放射狀。

圖3 3種不同葉輪模型Fig.3 Three different impeller models

計(jì)算區(qū)域包括葉輪、吸水室、壓水室（蝸殼）。由于泵出口會有回流，為了減少計(jì)算誤差，在蝸殼出口處做延長段。運(yùn)用ANSYS WORKBENCH MESH軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所有部件都劃分六面體網(wǎng)格，根據(jù)網(wǎng)格無關(guān)性分析［8］，最終網(wǎng)格數(shù)為140萬。

2 湍流模型及邊界條件

高速航空液冷泵內(nèi)部流動(dòng)為三維不可壓縮流動(dòng)的湍流，采用RNG k-ε雙方程湍流模型［9-10］。在定常計(jì)算中，進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口（Total Pressure）；出口邊界為質(zhì)量流量出口（Mass Flow Rate）；固定壁面無滑移（No Slip Wall）；動(dòng)靜域交界面處為凍結(jié)轉(zhuǎn)子（Frozen Rotor）。在非定常計(jì)算中，以定常計(jì)算結(jié)果為初始流場，動(dòng)靜域交界面處為 Transient Frozen Rotor，時(shí)間步長取 8.77×10-5s，即葉輪每旋轉(zhuǎn)5°計(jì)算一步，一個(gè)周期的時(shí)間T為6.316×10-3s，計(jì)算5個(gè)旋轉(zhuǎn)周期，取一個(gè)收斂周期進(jìn)行分析，收斂精度為 10-5［11-12］。

3 結(jié)果分析

3.1 外特性分析

本文數(shù)值計(jì)算了 5，50，100，150，200 L/h 等5種不同工況內(nèi)部流場，仿真結(jié)果如圖4所示，包括不同模型的流量—效率、流量—軸功率和流量—揚(yáng)程曲線?？梢钥闯?，模型3的揚(yáng)程高于其他兩種模型，且隨流量的變化基本不變，呈水平直線；模型1的揚(yáng)程隨著流量的增大逐步下降，呈水平下降趨勢；3種模型的軸功率呈線性增大，模型3的最大；模型1的效率最高，模型2次之，模型3最低。

圖4 泵外特性曲線Fig.4 The external performance curves of pumps

3.2 靜壓分析

圖5示出了3種工況下的靜壓分布。從圖中可以看出，3種模型的靜壓最大值均在蝸殼出口段，最小值均在葉輪進(jìn)口位置。相比較其他兩種模型，模型1葉輪出口位置存在明顯的射流尾跡區(qū)，射流尾跡區(qū)的數(shù)量為6，與葉片數(shù)相等；模型3葉輪出口的靜壓分布比其他兩種均勻，且3種工況下的靜壓分布及最大值相差不大。

圖5 3種工況下的壓力分布Fig.5 Pressure distribution under three working conditions

3.3 流線分析

圖6示出了3種工況下流線分布。

圖6 3種工況下的流線分布Fig.6 Streamline distribution under three working conditions

從圖可看出，在葉輪流道內(nèi)，模型1渦數(shù)量相較于其他2種模型較少，模型3渦數(shù)量最多，渦主要集中在葉片背面和流體工作面的流道間；在蝸殼處，流體流入擴(kuò)散段后流速降低，渦的數(shù)量減少，半徑逐漸增大，完成動(dòng)壓到靜壓的轉(zhuǎn)化。當(dāng)流量為150 L/h時(shí)，渦的數(shù)量減少，半徑降低；在蝸殼處，流線軌跡變得平順光滑；流速最大的區(qū)域位于葉片工作面出口處的蝸殼處。

3.4 蝸殼監(jiān)測點(diǎn)時(shí)域分析

蝸殼處的壓力脈動(dòng)對泵的整體性能影響較大，蝸殼上設(shè)置了2個(gè)不同測點(diǎn)，P1位于蝸殼隔舌處附近，P2位于蝸殼出口處，如圖7所示。為了進(jìn)一步研究航空液冷泵內(nèi)非定常壓力脈動(dòng)特性，針對50，150 L/h工況下的壓力脈動(dòng)信號進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）［13-15］，得到不同流量下監(jiān)測點(diǎn)的頻譜圖。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)示意Fig.7 Schematic diagram of monitoring points

圖8，9分別示出了50，150 L/h工況下監(jiān)測點(diǎn)時(shí)域，可以看出，監(jiān)測點(diǎn)P1和P2的靜壓存在明顯的波峰波谷，數(shù)量與對應(yīng)葉輪的葉片數(shù)相等，分別為6，5，6；模型3的監(jiān)測點(diǎn)波峰值均大于模型1與模型2；模型1的脈動(dòng)值低于其他兩模型；蝸殼出口處P2的周期性比蝸殼隔舌處附近P1的明顯。

圖8 不同工況下監(jiān)測點(diǎn)P1時(shí)域Fig.8 Time-domain spectrums of monitoring point P1 under different conditions

圖9 不同工況下監(jiān)測點(diǎn)P2時(shí)域Fig.9 Time-domain spectrums of monitoring point P2 under different conditions

3.5 蝸殼監(jiān)測點(diǎn)頻域分析

由葉輪轉(zhuǎn)速可以得到，泵的軸頻fn=n/60=158.3 Hz，葉頻fBPF=Zfn，3種不同模型的葉頻分別為 950，791.67，950 Hz。圖 10，11 分別示出了50，150 L/h工況監(jiān)測點(diǎn)P1和P2處壓力脈動(dòng)頻域。從圖10，11中可以看出，在監(jiān)測點(diǎn)P1和P2處模型1在50，150 L/h主頻為葉頻；模型2在50 L/h時(shí)為2倍的葉頻，150 L/h時(shí)為葉頻；模型3、模型2在50 L/h時(shí)為2倍的葉頻，150 L/h時(shí)為葉頻。長短葉片的模型在流量降低時(shí)，葉輪的主頻為2倍的葉頻模型1的主頻均為葉頻。各個(gè)模型在不同工況下壓力波動(dòng)不同，在50 L/h時(shí)對于長短葉片型式在隔舌區(qū)P1和蝸殼出口處P2的幅值低于圓形葉片葉輪；在150 L/h時(shí)，模型3的幅值高于其他兩種模型。

圖10 不同工況下監(jiān)測點(diǎn)P1頻譜Fig.10 Frequency spectrums of monitoring point P1 under different conditions

圖11 不同工況下監(jiān)測點(diǎn)P2頻譜Fig.11 Frequency spectrums of monitoring point P2 under different conditions

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)用戶系統(tǒng)需求：流量Q=150 L/h，額定增壓ΔP=55 kPa，Q-ΔP曲線盡量平坦。以模型3實(shí)物樣機(jī)（產(chǎn)品名稱JGB-C激光泵）進(jìn)行性能測試，按圖12原理框圖搭建試驗(yàn)臺，按如下方法進(jìn)行常溫性能測試：

（1）模型3處于非工作狀態(tài)，按圖12示出的方式安裝到CY11-ZG20004安裝支座，并使產(chǎn)品出口對準(zhǔn)支座出液孔，然后固定安裝在CY11-ZG20045冷卻液箱上；

圖12 測試臺Fig.12 Test bench

（2）在CY11-ZG20045冷卻液箱中加注約400 mm高度的65號冷卻液，淹沒模型3進(jìn)口；

（3）將模型3電纜正極引線與DH1718D-2穩(wěn)壓電源正極連接、負(fù)極引線與DH1718D-2穩(wěn)壓電源負(fù)極連接，開啟電源3 s內(nèi)產(chǎn)品能正常起動(dòng)工作；

（4）工作時(shí)間不少于5 min，待產(chǎn)品穩(wěn)定運(yùn)行后記錄常溫性能。

圖13示出了模型3的性能曲線，可以看出，仿真揚(yáng)程高于實(shí)測揚(yáng)程，實(shí)測流量-揚(yáng)程曲線程單調(diào)遞減，當(dāng)流量Q=150 L/h時(shí)，實(shí)測揚(yáng)程5.95 m，實(shí)測效率為30.1%，滿足用戶系統(tǒng)需求。

圖13 性能曲線Fig.13 Performance curve

5 結(jié)論

（1）在相同工況下，模型1的效率最高；模型3的揚(yáng)程和軸功率最大，模型3揚(yáng)程曲線呈水平直線；兼顧揚(yáng)程和效率時(shí)，可選擇模型1。

（2）在150 L/h和50 L/h下，模型1的主頻為葉頻，且監(jiān)測點(diǎn)P1的幅值變化最大；50 L/h時(shí)，模型2和3的主頻為2倍的葉頻，150 L/h下模型2和3的主頻為葉頻。兼顧揚(yáng)程與壓力脈動(dòng)時(shí)，可選模型2與模型3。