基于燃油離心泵葉輪軸向力測試技術(shù)的研究

收稿日期：2022-06-27""" 修回日期：2023-02-09

基金項目：國家重點研究計劃資助項目（No.2020YFB0311600）

通信作者：馬高長。E-mail： 1142546576@qq.com

引用格式：

鄒品文，馬高長，嚴(yán)社斌，等. 基于燃油離心泵葉輪軸向力測試技術(shù)的研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2024，41（3）：509-515.

ZOU Pinwen，MA Gaozhang，YAN Shebin，et al. Research on axial force testing technology of impeller of fuel centrifugal pump［J］.Chinese journal of applied mechanics，2024，41（3）：509-515.

文章編號：1000-4939（2024）03-0509-07

摘" 要：燃油離心泵的葉輪軸向力平衡設(shè)計是提升產(chǎn)品性能、壽命、可靠性等技術(shù)指標(biāo)的重要途徑，隨著航空發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，對燃油離心泵葉輪軸向力平衡設(shè)計提出了更為苛刻的要求；現(xiàn)有設(shè)計技術(shù)、仿真技術(shù)、測試技術(shù)難以準(zhǔn)確指導(dǎo)葉輪軸向力平衡設(shè)計，造成燃油離心泵異常磨損等故障頻發(fā)。通過對燃油離心泵結(jié)構(gòu)特征、工作原理進(jìn)行分析，設(shè)計了一種燃油離心泵工作過程中測試葉輪軸向力的新技術(shù)，該技術(shù)將燃油離心泵工作過程中承載的軸向力傳遞給作動筒活塞，再使用閉環(huán)控制原理，控制作動筒兩腔液壓力保證在葉輪軸向力作用下作動筒活塞位置保持不變，通過作動筒兩腔液壓力和液壓作用面積即可算出葉輪軸向力的大小；本研究的測試技術(shù)可以有效指導(dǎo)燃油離心泵葉輪軸向力平衡設(shè)計，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從而提高產(chǎn)品可靠性。

關(guān)鍵詞：燃油離心泵；葉輪軸向力；平衡設(shè)計；新技術(shù)；測試難題

中圖分類號：TH11" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.11776/j.issn.1000-4939.2024.03.003

Research on axial force testing technology of impeller of fuel centrifugal pump

ZOU Pinwen，MA Gaozhang，YAN Shebin，YANG Dongzhu，WANG Dezhao，PAN He

（Aecc Guizhou Honglin Aero Engine Control Technology Co.，Ltd.，550009 Guiyang，China）

Abstract：The axial force balance design of the impeller of the fuel centrifugal pump is an important way to improve the product performance，life，reliability and other technical indicators.With the development of aeroengine technology，more stringent requirements are put forward for the axial force balance design of the impeller of the fuel centrifugal pump; The existing design technology，simulation technology and testing technology cannot to accurately guide the axial force balance design of the impeller，resulting in frequent failures such as abnormal wear of the fuel centrifugal pump. This paper analyzes the structural characteristics and working principle of the fuel oil centrifugal pump，and designs a new technology to measure the axial force of the impeller during the working process of the fuel oil centrifugal pump.This technology transfers the axial force carried by the fuel oil centrifugal pump during the working process to the piston of the actuating cylinder，and then uses the closed-loop control principle to control the hydraulic pressure in the two chambers of the actuating cylinder to ensure that the piston position of the actuating cylinder remains unchanged under the axial force of the impeller.The axial force of the impeller can be calculated by the hydraulic pressure of the two chambers of the actuating cylinder and the hydraulic action area. The testing technology studied in this paper solves the problem of testing the axial force of the impeller during the working process of the fuel oil centrifugal pump，can effectively guide the axial force balance design of the impeller of the fuel oil centrifugal pump and optimize the product structure，thus improving the reliability of the product.

Key words：fuel centrifugal pump; impeller axial force; balanced design; new technology; test challenge

隨著航空發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，對高性能燃油離心泵的需求日益增加。高性能燃油離心泵主要體現(xiàn)在大流量、高壓力、高轉(zhuǎn)速、長壽命等方面，而葉輪軸向力大小是影響燃油離心泵可靠工作的重要因素之一，隨著燃油離心泵設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有葉輪軸向力設(shè)計的計算技術(shù)、仿真技術(shù)、測試技術(shù)難以指導(dǎo)燃油離心泵葉輪軸向力平衡設(shè)計。若燃油離心泵葉輪軸向力平衡設(shè)計不合理會造成燃油離心泵葉輪、軸承、殼體等關(guān)鍵零件異常磨損，直接影響產(chǎn)品的性能、壽命和可靠性。本研究從燃油離心泵結(jié)構(gòu)特征、工作原理等方面進(jìn)行分析，研究一種燃油離心泵工作過程中葉輪軸向力測試的新技術(shù)，解決了燃油離心泵工作過程中葉輪軸向力測試難的問題。

國內(nèi)外學(xué)者對燃油離心泵葉輪軸向力研究方面主要有理論計算、流體仿真、測試試驗等［1-5］。測量離心泵軸向力常用的方法有電阻應(yīng)變片測量法、應(yīng)變傳感器測量法。在承載葉輪軸向力的部位貼上電阻應(yīng)變片或應(yīng)變傳感器，通過測量電阻應(yīng)變片或應(yīng)變傳感器的變化，從而計算出軸向力的大小。還有通過測量葉輪兩側(cè)液體壓力從而計算出離心泵工作過程中葉輪承載的軸向力大小的方法。電阻應(yīng)變片測量法和應(yīng)變傳感器測量法對燃油溫度影響較為敏感，燃油離心泵工作時對燃油做功導(dǎo)致燃油溫度升高，造成傳感器出現(xiàn)應(yīng)變從而影響測量精度和置信度；而測量葉輪兩側(cè)液體壓力的方法需在燃油離心泵增加測壓點，由于燃油離心泵空間限制，無法準(zhǔn)確掌握葉輪兩側(cè)壓力分布情況。

本研究提出的燃油離心泵葉輪軸向力測試技術(shù)，是將燃油離心泵工作過程中承載的軸向力傳遞給作動筒活塞，再使用閉環(huán)控制原理控制作動筒兩腔液壓力保證活塞位置在外力作用下始終不變，通過作動筒兩腔液壓力和液壓作用面積即可算出葉輪軸向力的大小。該測試技術(shù)具有抗干擾能力強、測試精度高、推廣應(yīng)用性強等優(yōu)點。

1" 葉輪軸向力測試方案

1.1" 葉輪軸向力測試原理

燃油離心泵工作時，葉輪高速旋轉(zhuǎn)對燃油介質(zhì)做功，將機械能轉(zhuǎn)換為燃油的動能和壓力能，增壓后的燃油作用在葉輪上產(chǎn)生軸向力。為了能比較準(zhǔn)確地測量出葉輪承受的軸向力，不僅要解決高速轉(zhuǎn)動的葉輪對測試系統(tǒng)的影響，還要想辦法保證測力過程中葉輪的位置始終固定，即圖1中L1和L2保持固定值（在同一次測試中固定）且大于0，使葉輪組件受到的軸向力部分或全部作用在固定端面軸承（左）或固定端面軸承（右）上，從而保證測試的安全可靠。

基于上述思路，設(shè)計了燃油離心泵葉輪軸向力測試系統(tǒng)原理（圖2）。電子控制器根據(jù)測控上位機的給定信號，控制作動筒位置，當(dāng)葉輪所受軸向力F發(fā)生變化時，將導(dǎo)致葉輪沿軸向產(chǎn)生位移的信號通過線位移傳感器（linear variable displacement transducer，LVDT）傳遞給電子控制器，電子控制器根據(jù)LVDT反饋的信號，控制作動筒內(nèi)部燃油壓力，實現(xiàn)F與作動筒內(nèi)部液壓力平衡，通過計算作動筒內(nèi)部燃油壓力即可算出葉輪軸向力的大小。

1.2" 葉輪軸向力測試系統(tǒng)

基于葉輪軸向力測試原理，以某型燃油離心泵為研究對象，設(shè)計了滿足燃油離心泵葉輪軸向力測試的測試系統(tǒng)（圖3）。為了便于軸向力測試，在離心泵的蝸殼（圖1）的右端加工了臺階孔，分別與連接套筒的大外圓和小外圓配合（間隙配合），保證連接套筒相對于燃油離心泵進(jìn)口殼體可以進(jìn)行軸向移動；深溝球軸承裝在連接套筒內(nèi)，用孔用彈性擋圈限制其相對于連接套筒的軸向移動；止動座和深溝球軸承依次裝在傳動軸右端，并用壓緊螺釘壓緊；支撐桿借用離心泵蝸殼上的螺樁固定在產(chǎn)品上，用于將作動筒同心地安裝在進(jìn)口殼體后部。在葉輪組件和連接套筒之間通過深溝球軸承過渡，傳動軸高速轉(zhuǎn)動而連接套筒可以不轉(zhuǎn)動，解決了傳動軸高速轉(zhuǎn)動對測力的影響。葉輪軸向位置控制由系統(tǒng)在工作過程中實現(xiàn)。

作動筒活塞桿直徑為dA（mm）、活塞直徑為dB（mm）。設(shè)燃油離心泵工作過程中葉輪受到的軸向力方向向右，大小為F（N）；作動筒有桿腔燃油壓力為PA（MPa），無桿腔燃油壓力為PB（MPa）。不考慮作動筒活塞、活塞桿受到的摩擦力，則活塞（活塞桿）受力平衡方程為

F+πd2B-d2APA4=πd2BPB4

整理得

F=πd2B4PB-PA-πd2A4PA

如果F＞0，葉輪受到的軸向力向右；如果F＜0，葉輪受到的軸向力向左。

電子控制器由測控下位機（電控器）、測控上位機（電腦主機、顯示器）組成，電控器將采集到的LVDT傳感器差比和換算成數(shù)碼值，控制通道的給定和反饋均使用數(shù)碼值。電子控制器可以給定作動筒的位置對應(yīng)的數(shù)碼值，通過控制電液伺服閥驅(qū)動作動筒工作，使其位置到達(dá)給定位置，并根據(jù)位置閉環(huán)保證作動筒在給定位置。

1.3" 葉輪軸向力測試試驗

1.3.1" 校準(zhǔn)試驗

為了確保設(shè)計研究的測試系統(tǒng)可以安全、穩(wěn)定地完成燃油離心泵葉輪軸向力測試，在開展燃油離心泵葉輪軸向力測試前，對所設(shè)計的測試系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)試驗，其校準(zhǔn)試驗原理如圖5所示。在測試系統(tǒng)左端施加力F，監(jiān)測千分表變化及測試系統(tǒng)測試值Ft。

從試驗情況看，無論外部作用力F和電液伺服閥進(jìn)口壓力PJ如何變化，千分表指針擺動量都在0～0.03mm范圍內(nèi)，位置變化遠(yuǎn)小于燃油離心泵葉輪允許的軸向竄動量。其校準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。由圖可知，測量值Ft與施加力F跟隨性較好，可以及時穩(wěn)定的完成測量。校準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)如表1所示。由校準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)可知，研究的測試技術(shù)測量最大誤差約為3%。

綜上所述，研究的測試技術(shù)在施加力F與電液伺服閥工作壓力變化時造成的軸向竄動量較小，滿足燃油離心泵葉輪軸向力測試時不影響燃油離心泵葉輪軸向間隙的要求；測試系統(tǒng)測試值Ft與施加力F跟隨性較好，可以及時準(zhǔn)確的測量出施加力F的大小，響應(yīng)速度可以滿足燃油離心泵葉輪軸向力測試需求；測量誤差較小，可以滿足燃油離心泵葉輪軸向力優(yōu)化設(shè)計所需的精度要求。故該技術(shù)可以用于燃油離心泵葉輪軸向力測試。

1.3.2" 燃油離心泵葉輪軸力測試

根據(jù)燃油離心泵試驗原理（圖7），將燃油離心泵安裝在專用試驗臺（圖8），具體試驗步驟如下。

a）確定葉輪工作時的軸向位置：將作動筒有桿腔和無桿腔接頭擰開，電子控制器上電，向左拉動連接套筒至最左端，此時傳動軸大端面與固定端面軸承（左）貼合（圖1中L1=0），記錄此時電子控制器上顯示的位置反饋GBit，L值；向右推動連接套筒至最右端，此時浮動端面軸承（右）的右端面與固定端面軸承（右）的左端面頂靠（圖1中L2=0），記錄此時電子控制器上顯示的位置反饋GBit，R值。將作動筒有桿腔和無桿腔接頭重新接好，后續(xù)使用中不改變控制器軟、硬件以及圖7所示的任何部位，將（

GBit，L+GBit，R

）/2所得到的Bit值確定為葉輪在工作中的軸向位置GBit。

b）電子控制器上電，并將GBit值作為給定值輸入電子控制器。

c）向電液伺服閥燃油進(jìn)口供給壓力為PJ的燃油。

d）按圖9施加燃油離心泵載荷，葉輪軸向力的大小通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和顯示。圖10為葉輪優(yōu)化改進(jìn)前所測量得的葉輪軸向力。圖11為葉輪優(yōu)化改進(jìn)后所測量得的葉輪軸向力。

2" 測試結(jié)果分析

2.1" 葉輪優(yōu)化前

燃油離心泵葉輪優(yōu)化前，在驗證過程中止推軸承異常磨損（圖12）。

通過葉輪軸向力測試結(jié)果（圖10）可知，燃油離心泵工作過程中葉輪承載的軸向力最大可達(dá)到4045N。通過計算分析，在該工況下，燃油離心泵止推軸承承載的PV約為125MPa·m/s，遠(yuǎn)大于材料許用［PV］=85MPa·m/s，故造成燃油離心泵止推軸承異常磨損。

2.2" 葉輪優(yōu)化后

為了解決燃油離心泵止推軸承異常磨損問題，本研究根據(jù)測試結(jié)果、葉輪軸向力平衡設(shè)計原理，對葉輪軸向力平衡孔大小、位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改進(jìn)葉輪結(jié)構(gòu)后測試燃油離心泵葉輪軸向力為

1137N（圖11），通過計算分析，在相同工況下，燃油離心泵止推軸承承載的PV約30MPa·m/s，遠(yuǎn)小于材料許用［PV］=85MPa·m/s，故葉輪優(yōu)化改進(jìn)可以有效降低燃油離心泵葉輪軸向力，同時提高產(chǎn)品可靠性。

2.3" 修正仿真模型

本研究使用燃油離心泵葉輪軸向力測試結(jié)果對燃油離心泵流體仿真模型間隙、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行修正，修正后使用PumpLinx軟件對燃油離心泵葉輪軸向力進(jìn)行仿真，仿真邊界條件如圖13所示，仿真結(jié)果如表2所示。

由數(shù)據(jù)可知，使用測試數(shù)據(jù)對燃油離心泵仿真模型進(jìn)行修正后，仿真結(jié)果與測試結(jié)果的誤差大幅降低，提升了仿真的置信度。

3" 結(jié)" 論

1）所研究的葉輪軸向力測試技術(shù)通過校準(zhǔn)結(jié)果可知，該技術(shù)測試精度高且可以及時穩(wěn)定地反饋所施加外力的大小，滿足燃油離心泵葉輪軸向力測試對測試精度、響應(yīng)的需求。

2）所研究的葉輪軸向力測試技術(shù)已完成某型燃油離心泵葉輪軸向力測試，測試過程中燃油離心泵流量及增壓等性能與未安裝葉輪軸向力測試系統(tǒng)前相當(dāng)，對燃油離心泵性能影響較?。煌ㄟ^測試數(shù)據(jù)可知，該測試技術(shù)可以實現(xiàn)燃油離心泵葉輪軸向力測試，為燃油離心泵葉輪軸向力測試技術(shù)發(fā)展提供新技術(shù)、新方法。

3）利用測試數(shù)據(jù)對燃油離心泵仿真模型進(jìn)行了修正，通過修正前后仿真數(shù)據(jù)可知，修正后的仿真結(jié)果與測試結(jié)果接近，故本測試技術(shù)可以為燃油離心泵葉輪軸向力仿真模型修正提供參考，提升仿真置信度。

4）所研究的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單、適用范圍廣、抗干擾能力強，可以推廣應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)燃油離心泵葉輪軸向力測試或其他力的測試試驗中。

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（編輯" 李坤璐）