帶誘導(dǎo)輪的離心式航空燃油泵空化特性分析*

羅 丹 王維軍＊ 趙 鑫 譚向軍 吳大轉(zhuǎn)

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

0 引言

離心式航空燃油泵屬于低壓油泵[1]，主要用于為航空小型無人機、靶機、航天飛航導(dǎo)彈燃油系統(tǒng)提供一定流量和壓力的燃油，輸送介質(zhì)包括RP-3 航煤、高密度烴等燃料。與普通離心泵相比，離心式航空燃油泵轉(zhuǎn)速高（7000～15000r/min）、尺寸小、功重比高、運行工況復(fù)雜（全流量范圍運行），在部分極限工況運行時會出現(xiàn)效率、揚程、功率等外特性的明顯減小，嚴重時會出現(xiàn)高空斷流、高空無法啟動等現(xiàn)象，而其根本原因就是空化?？栈咽侵萍s其向更高轉(zhuǎn)速、更小體積、更大功重比發(fā)展的主要矛盾[2]。

空化始終是水力機械領(lǐng)域研究的熱點之一[3]，空化研究主要集中在清華大學(xué)[5]、北京理工大學(xué)[6]、浙江大學(xué)[7]、江蘇大學(xué)[8-9]、中船重工702所[10]、加州理工[11]等科研機構(gòu)。蒸汽型空化學(xué)者們基于數(shù)值仿真、實驗手段對水翼、螺旋槳、噴水推進、離心泵等進行了大量研究，取得了良好的研究成果。如季斌[3]采用修正的湍流模型與ZGB 空化模型，研究了NACA 系列水翼的二維、三維空化形成機理，取得了突出的成績，包括空化演變、空化流動的三維結(jié)構(gòu)、失穩(wěn)機制、空化不穩(wěn)定性及其與低頻壓力脈動的聯(lián)系、空化與旋渦的相互作用、空化與彈性水翼的流固耦合、空化對尾流場影響等；如王勇[12]、趙偉國[13-14]系統(tǒng)地研究對比了各類空化模型在離心泵中的適應(yīng)性，提出了很多抑制空化的有效手段，如開縫、開槽、布置障礙物等。

本文基于前人在離心泵空化的研究基礎(chǔ)上，針對某型航空燃油泵內(nèi)部流動進行了數(shù)值計算，并分析了不同工況下的流動特征。

1 計算模型及二維模型

本文所研究的離心式航空燃油泵設(shè)計參數(shù)如下：額定流量Qd=5000L/h，額定增壓ΔP=140kPa，額定轉(zhuǎn)速n=5560r/min，比轉(zhuǎn)速ns=102。葉輪水力參數(shù)：葉片進口直徑D1=40mm，葉片出口寬度b2=3mm，葉片出口直徑D2=67.5mm，葉片數(shù)Z=3，水力模型如圖1所示。誘導(dǎo)輪水力參數(shù)：輪緣直徑Dt2=46.2mm，輪轂直徑Dt1=13mm，葉片數(shù)Zt=4，加工圖如圖1 所示。結(jié)構(gòu)形式：單級單吸離心式，如圖2 所示。驅(qū)動方式：無刷直流電機（濕式）及速度開環(huán)控制。

圖1 葉片軸面投影圖及誘導(dǎo)輪加工圖Fig.1 Axial projection drawing of blade and machining drawing of inducer

圖2 燃油泵結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structural diagram of fuel pump

2 三維模型與網(wǎng)格及無關(guān)性

基于二維水力模型繪制三維模型，并用Ansys workbench mesh 對三維模型劃分網(wǎng)格，燃油泵進口延伸段為六面體網(wǎng)格，葉輪蝸殼采用四面體自適應(yīng)網(wǎng)格、誘導(dǎo)輪及離心葉片表面布置邊界層進行加密，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格圖Fig.3 Grid mesh

采用Ansys workbench CFX 對離心燃油泵進行無空化及空化工況下的數(shù)值仿真，湍流模型為雙方程RNGk-ε，空化模型為ZGB（Zwart Gerber Belamri），介質(zhì)為JetA liquid和JetA，空化工況下葉輪進口為壓力進口，出口為質(zhì)量流量出口，采用右手螺旋準則確定葉輪旋向為順時針。為了獲得最經(jīng)濟的網(wǎng)格數(shù)和計算步長，本文通過網(wǎng)格無關(guān)性原則確定了計算網(wǎng)格數(shù)，圖4為額定工況下最大網(wǎng)格尺度與不同網(wǎng)格總數(shù)與增壓的關(guān)系，可以看出隨著最大網(wǎng)格尺度的減小，網(wǎng)格總數(shù)增加、增壓下降，當最大網(wǎng)格尺度為1mm 時，增壓值為152.2kPa，網(wǎng)格總數(shù)為2349432，此時揚程相關(guān)性低于0.5%，可以認為網(wǎng)格總數(shù)對計算結(jié)果無影響。圖5為誘導(dǎo)輪與離心葉輪葉片表面的Y＋分布，Y＋最大值為20，符合計算要求。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性檢查Fig.4 Grid independence

圖5 Y+分布Fig.5 Y+distribution

3 結(jié)果分析

3.1 外特性仿真與試驗對比

圖6為燃油泵試驗臺，由供油箱、測試油箱、熱交換器、真空調(diào)節(jié)閥、流量計、壓力傳感器等組成。本文數(shù)值計算了500L/h，1000L/h，2000L/h，3000L/h，4000L/h，5000L/h，6000L/h，7000L/h 及8000L/h 等九種不同工況下的內(nèi)部流場，仿真與測試結(jié)果如圖7所示。可以看出，仿真增壓值、軸功率與測試結(jié)果誤差均在5%之內(nèi)，額定工況下仿真增壓值為152kPa，實測為145kPa。

圖6 性能測試臺Fig.6 Performance test bench

圖7 外特性曲線Fig.7 External characteristic curves

3.2 空化性能曲線

定義空化數(shù)σ為：

式中，PT1為葉輪進口總壓，kPa；PV為燃油飽和蒸汽壓，kPa；ρ為燃油密度，kg/m3；U1為進口圓周速度，m/s。

圖8 為500L/h（0.1Qd），5000L/h（1.0Qd）及6000L/h（1.2Qd）三個工況下的空化數(shù)σ與增壓之間的性能曲線。從圖8可以看出，隨著空化數(shù)σ減小，增壓值ΔP也逐步下降，增壓值ΔP在空化數(shù)0.0953＜σ＜0.2429的下降幅度比空化數(shù)σ＞0.2429 的大；當空化數(shù)σ＜0.0658時，三個工況下的增壓值ΔP出現(xiàn)了陡降；空化數(shù)σ=0.0953時為臨界空化點；三種工況下的空化數(shù)σ與增壓值ΔP的變化趨勢基本相同，即空化余量NPSH 曲線在0.1Qd～1.2Qd工況近似為直線。

圖8 空化性能曲線Fig.8 Cavitation characteristic curves

3.3 誘導(dǎo)輪與離心葉輪空化演變過程

圖9～圖11 為500L/h（0.1Qd），5000L/h（1.0Qd）及6000L/h（1.2Qd）三個工況下的誘導(dǎo)輪與離心葉輪表面的空化場演變過程?？梢钥闯觯N工況下的空泡演變趨勢一致，當空化數(shù)σ=0.5381時，誘導(dǎo)輪葉片吸力面出現(xiàn)了部分空化，集中在葉頂區(qū)；隨著空化數(shù)σ減小到0.2429 時，空化區(qū)擴大到了吸力面大部分，靠近輪轂區(qū)出現(xiàn)了葉梢空化，空化區(qū)占整個吸力面面積的60%以上；空化數(shù)σ繼續(xù)減小到0.0953 時，空化區(qū)覆蓋整個誘導(dǎo)輪吸力面，此時離心葉片吸力面也出現(xiàn)了較明顯的空化；當空化數(shù)σ≤0.0658時，誘導(dǎo)輪與離心葉輪吸力面空化區(qū)擴大至整個葉片區(qū)。

圖9 0.1Qd工況空泡云圖Fig.9 Bubble cloud under 0.1Qd condition

圖10 1.0Qd工況空泡云圖Fig.10 Bubble cloud under 1.0Qd condition

圖11 1.2Qd工況空泡云圖Fig.11 Bubble cloud under 1.2Qd condition

3.4 空泡體積占比

圖12～圖14 為500L/h（0.1Qd），5000L/h（1.0Qd）及6000L/h（1.2Qd）三個工況下的不同過流部件中的空泡體積占比?？梢钥闯?，當空化數(shù)0.0363＜σ＜0.6885時，吸入段和蝸殼段幾乎無空泡，誘導(dǎo)輪與離心葉輪區(qū)的空泡含量隨著空化數(shù)的減小而逐步增大；當空化數(shù)σ=0.0953時，圖8 中的外特性增壓值出現(xiàn)臨界點（增壓下降了約3%），誘導(dǎo)輪與離心葉輪區(qū)的空泡含量在5%～10%；空化數(shù)σ＜0.0953 時，該區(qū)域的空泡含量急劇增大，當空化數(shù)σ=0.0363 時，空泡含量約占整個介質(zhì)的25%，圖8 中的外特性增壓值急劇降低。

圖12 0.1Qd工況Fig.12 The condition of 0.1Qd

圖14 1.2Qd工況Fig.14 The condition of 1.2Qd

3.5 軸截面上空泡演變過程

圖15 為葉輪區(qū)軸截面的空泡演變，當空化數(shù)σ＞0.3905時，誘導(dǎo)輪吸力面葉頂附近存在較明顯的回流渦空化；當空化數(shù)σ＜0.0953 時，空泡區(qū)發(fā)展到了輪轂區(qū)域，且與回流渦空化逐步融合形成云空化。從圖16～圖17 可以看出，吸入段存在與主流流動方向相反的二次回流現(xiàn)象，誘導(dǎo)輪葉頂存在回流渦，誘導(dǎo)輪與離心葉輪之間存在泄漏渦，這些旋渦不管是否有空化流動均存在于流場中。

圖15 1.0Qd工況葉輪區(qū)空泡運動Fig.15 Cavitation movement in impeller zone under 1.0Qd

圖16 1.0Qd工況-無空化Fig.16 No cavitation under 1.0Qd condition

圖17 1.0Qd工況-無空化Fig.17 No cavitation under 1.0Qd condition

4 結(jié)論

1）對誘導(dǎo)輪和離心葉輪表面進行邊界層加密，獲得了較小的Y+，通過與測試值的對比分析，仿真結(jié)果誤差小于5%；

2）誘導(dǎo)輪可有效抑制空化的發(fā)生和發(fā)展，在小流量與額定工況下，空化發(fā)展的拐點均在空化數(shù)σ=0.0953時，誘導(dǎo)輪與葉輪區(qū)的空泡體積占5%～10%；

3）誘導(dǎo)輪與離心葉輪中包含二次流、泄漏渦、回流渦、回流渦空化及云空化等不同的復(fù)雜流動。