趙瑞勇，張翠儒，劉軍年，張晶輝

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

面積比對(duì)變工況泵性能穩(wěn)定性影響的研究

趙瑞勇，張翠儒，劉軍年，張晶輝

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

對(duì)不同面積比下某型變工況低比轉(zhuǎn)速燃料泵的特性及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)減小面積比，泵水力損失相對(duì)較小，揚(yáng)程特性曲線在大流量點(diǎn)趨于平坦；增大面積比，水力損失相對(duì)增大，揚(yáng)程特性曲線在大流量點(diǎn)趨于陡峭。不同面積比下的泵穩(wěn)定性研究表明，低工況下泵流量小，比轉(zhuǎn)數(shù)低，泵穩(wěn)定工作特別要使用大的面積比，泵效率會(huì)相比降低；高工況下泵流量大，比轉(zhuǎn)數(shù)較高，泵穩(wěn)定工作區(qū)域較寬，小的面積比可使泵揚(yáng)程和效率值提高。

變推力發(fā)動(dòng)機(jī)；離心泵；低比轉(zhuǎn)速；面積比；燃料泵穩(wěn)定性

0　引言

某型變工況發(fā)動(dòng)機(jī)用燃料泵曾在工程階段出現(xiàn)了低工況流量-揚(yáng)程S型突升不穩(wěn)定。作為小推力泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)的核心部件，燃料泵實(shí)現(xiàn)小流量、高揚(yáng)程、大范圍變工況工作技術(shù)難度很大。同時(shí)為了提高燃料泵功率密度，泵的單級(jí)揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速要高，因此該型離心式燃料泵的比轉(zhuǎn)速極低（設(shè)計(jì)點(diǎn)比轉(zhuǎn)速=25）。由于低比轉(zhuǎn)速高速離心泵的葉輪流道長(zhǎng)而窄，在小流量工況下很容易在誘導(dǎo)輪進(jìn)口產(chǎn)生回流，葉輪流道里容易產(chǎn)生流動(dòng)分離，葉輪-蝸殼容易產(chǎn)生尾流-射流等現(xiàn)象，致使各項(xiàng)損失增加，出現(xiàn)流動(dòng)參數(shù)（如出口壓力）波動(dòng)，造成小流量下泵的噪聲和振動(dòng)很劇烈，表現(xiàn)為小流量工作不穩(wěn)定性[2-4]。小流量工作不穩(wěn)定性是低比轉(zhuǎn)速高速離心泵必須要解決的關(guān)鍵難題之一。

離心泵小流量工況下流動(dòng)不穩(wěn)定性及其控制一直是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在改善泵不穩(wěn)定性方面的研究，多數(shù)學(xué)者主要針對(duì)葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出設(shè)置產(chǎn)生預(yù)旋的前置導(dǎo)葉，斜切葉輪出口邊，減少葉片數(shù)，選取較小的葉片出口角和葉輪出口寬度，設(shè)計(jì)變螺距誘導(dǎo)輪和復(fù)合葉輪等方法[5-7]。H.H.Anderson首次提出了離心泵的面積比原理，指出葉輪出口過(guò)流面積與泵體喉部面積之比乃是泵揚(yáng)程、流量和軸功率等特性的主要決定因素，給出揚(yáng)程系數(shù)、流量系數(shù)和比轉(zhuǎn)數(shù)與面積比的關(guān)系曲線，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了面積比原理預(yù)測(cè)的泵性能與實(shí)際的泵性能相當(dāng)吻合[8]。Anderson的面積比Y定義為葉輪葉片間的出口面積（F2）與泵體喉部面積（F8）之比。該理論的核心思想是從定量的角度講葉輪和泵體兩大主要水力部件合理匹配。R.C.Worster首次用數(shù)學(xué)證明了An derson所提出的面積比原理的科學(xué)性[9]。國(guó)內(nèi)學(xué)者袁壽其等對(duì)面積比進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究[10]，用面積比繪制的揚(yáng)程系數(shù)和流量系數(shù)的形式來(lái)修正標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從整體上把葉輪和泵體這兩大水力部件聯(lián)系在一起，具有其科學(xué)性。楊軍虎等依據(jù)離心泵的面積比原理[11-12]，推導(dǎo)得出了離心泵面積比的計(jì)算公式，體現(xiàn)了面積比值與葉輪、蝸殼的水力參數(shù)關(guān)系。黎義斌等為解決超低比轉(zhuǎn)數(shù)小流量不穩(wěn)定、有駝峰、效率低，大流量軸功率易過(guò)載等問(wèn)題，從改進(jìn)離心泵水力設(shè)計(jì)參數(shù)和過(guò)流部件的匹配關(guān)系入手，對(duì)某型離心泵進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)，達(dá)到了提高水力性能的要求[13]。文獻(xiàn) [14]指出，影響離心泵最大軸功率的主要因素是面積比。面積比是葉輪幾何參數(shù)和喉部面積的相對(duì)值，反映葉輪和蝸殼的匹配關(guān)系?？梢酝茰y(cè)，改變低比轉(zhuǎn)速離心泵面積比后，很可能會(huì)改善流場(chǎng)在葉輪出口與蝸殼聯(lián)合作用時(shí)出現(xiàn)的二次流等流動(dòng)混摻現(xiàn)象，從而改變泵的相應(yīng)特性，達(dá)到控制變工況低比轉(zhuǎn)速離心泵的小流量運(yùn)行不穩(wěn)定。

本文基于面積比（F2/F8）原理對(duì)某型變工況低比轉(zhuǎn)速燃料泵開(kāi)展了小流量揚(yáng)程特性不穩(wěn)定的試驗(yàn)研究，獲得了變工況低比轉(zhuǎn)速泵的小流量不穩(wěn)定工程控制方法及其穩(wěn)定工作邊界，為保障某型變工況泵寬流量范圍的工作穩(wěn)定性和低比轉(zhuǎn)速高速離心泵的設(shè)計(jì)提供了重要的參考價(jià)值。

1　研究對(duì)象

基于面積比原理開(kāi)展低比轉(zhuǎn)速離心泵寬流量范圍性能穩(wěn)定性試驗(yàn)研究的水泵模型是某型變工況發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泵，主要由進(jìn)口管、葉輪、蝸殼及出口管等組成。葉輪為閉式，葉片采用大小復(fù)合式。試驗(yàn)泵的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1　某型燃料泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure diagram of one fuel pump

表1給出了該試驗(yàn)泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，其中泵變工況工作流量、轉(zhuǎn)速及揚(yáng)程范圍按照無(wú)因次流量比Q/Qd、揚(yáng)程比H/Hd、轉(zhuǎn)速比N/Nd給出。

表1　試驗(yàn)泵性能參數(shù)Tab.1　Performance parameters of test pump

泵試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括泵試驗(yàn)臺(tái)、控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、液流系統(tǒng)、攝像監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備故障監(jiān)控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。泵試驗(yàn)臺(tái)由傳動(dòng)電機(jī)、變速箱、扭矩儀及對(duì)接口組成。輔助系統(tǒng)由抽真空及空氣增壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)組成，如圖2所示。

某型燃料泵特性試驗(yàn)揚(yáng)程采用測(cè)量泵進(jìn)口和出口壓力給出，功率采用扭矩測(cè)功給出，其主要測(cè)試設(shè)備精度如表2所示。

圖2　泵水力試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Structure diagram of hydraulic power test platform for pump

表2　試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備精度Tab.2　Accuracy of testing equipments

2　寬流量范圍離心泵穩(wěn)定性的結(jié)果及討論

2.1面積比對(duì)泵性能特性的試驗(yàn)

對(duì)某型變工況燃料泵（對(duì)應(yīng)流量比范圍0.75～ 1.25）保持離心輪、誘導(dǎo)輪、進(jìn)口組件不變，設(shè)計(jì)加工6組不同蝸殼喉部面積的試驗(yàn)泵組進(jìn)行寬流量范圍泵揚(yáng)程比（H/Hd）-流量比（Q/Qd）、效率-流量比（Q/Qd）特性開(kāi)展試驗(yàn)研究，繪制出不同面積比下對(duì)應(yīng)的泵特性曲線，得出面積比對(duì)低比轉(zhuǎn)速變工況泵性能影響的規(guī)律。表3給出了變工況泵1.0倍流量下泵的主要試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)。

不同面積比下泵流量-揚(yáng)程特性曲線的變化規(guī)律如圖3所示。

試驗(yàn)看出：在小流量區(qū)（0.6～0.8倍流量），揚(yáng)程隨面積比的增大有所增大，且最高揚(yáng)程點(diǎn)隨著面積比的增大向小流量區(qū)偏移。對(duì)于某型變工況燃料泵，當(dāng)面積比達(dá)到Y(jié)=22.8時(shí)，能夠保證在大于0.7倍流量范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)全工況工作中泵的揚(yáng)程特性均為負(fù)斜率（穩(wěn)定特性）。編號(hào)為AWR-006試驗(yàn)泵，當(dāng)面積比Y=24.82時(shí)，該泵在大于0.6倍流量范圍內(nèi)已經(jīng)完全消除了流量揚(yáng)程特性線的正斜率段，全流量范圍內(nèi)揚(yáng)程特性曲線呈單調(diào)平滑下降（穩(wěn)定特性）。在大流量區(qū)（1.0～1.25倍流量），隨面積比的增大揚(yáng)程明顯減小，且面積比越大泵揚(yáng)程特性曲線越陡峭，面積比越小泵揚(yáng)程特性曲線越平坦。從試驗(yàn)泵AWR-001，AWR-002，AWR-003及AWR-004試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于該型燃料泵，當(dāng)其面積比16.61≤Y≤21.57時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)變推力工作范圍內(nèi)（0.7～1.25倍流量），泵揚(yáng)程特性曲線出現(xiàn)了正斜率上升段（不穩(wěn)定特性），且面積比越小，該不穩(wěn)定區(qū)越寬。

表3　主要試驗(yàn)參數(shù)Tab.3　Main testing parameters

圖3　不同面積比下流量-揚(yáng)程特性曲線Fig.3　Curves of flow-lift characteristics at different area ratio

不同面積比下泵流量-效率特性曲線的變化規(guī)律如圖4。

圖4　不同面積比下流量-效率特性曲線Fig.4　Curves of flow-efficiency characteristics at different area ratio

從圖4中的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：隨著面積比的增大泵效率曲線斜率逐漸變小，也就是說(shuō)面積比越大，泵效率曲線越平緩，最高效率點(diǎn)向小流量區(qū)偏移；面積比越小，泵效率曲線越陡峭，最高效率點(diǎn)向大流量區(qū)偏移；在小流量區(qū)（0.6～0.8倍流量），相同流量點(diǎn)下不同面積比對(duì)泵效率影響變化不太大；在大流量區(qū)（1.0～1.25倍流量）相同流量點(diǎn)的泵效率隨著面積比的增大呈減小的態(tài)勢(shì)，面積比越大泵效率越低。

試驗(yàn)結(jié)果表明：工程型號(hào)用泵或者泵制造廠對(duì)泵性能范圍及小流量穩(wěn)定性控制采用改變蝸殼泵喉部面積的方式是有效的，而且比較簡(jiǎn)單易行。但從試驗(yàn)曲線同樣可以看出，所取泵面積比對(duì)泵的外特性影響很大，其規(guī)律為減小泵面積比，在流量增大時(shí)，水力損失相對(duì)較?。ㄐ势撸铱墒贡玫淖罡咝庶c(diǎn)偏向大流量，并使流量揚(yáng)程特性曲線在大流量點(diǎn)趨于平坦；增大泵面積比，在減小流量時(shí)，水力損失相對(duì)增大（效率偏低），且使泵的最高效率點(diǎn)偏向小流量，同時(shí)使流量揚(yáng)程特性曲線在大流量點(diǎn)趨于陡峭。

2.2面積比對(duì)泵性能特性的數(shù)值模擬

為了進(jìn)一步探究不同面積比對(duì)某型變工況低比轉(zhuǎn)速燃料泵的性能影響規(guī)律，基于ANSYSFluent對(duì)表 3中的 AWR-001/002/004/005/006（因AWR-003泵面積比與AWR-004接近，未進(jìn)行計(jì)算）5種不同面積比的模型泵進(jìn)行了數(shù)值仿真，圖5給出了設(shè)計(jì)點(diǎn)下某型燃料泵在5種不同面積比下泵中截面的速度和流線分布。

圖5　不同面積比下某型泵中截面速度流線Fig.5　Flow lines of cross-section velocity of a certain pump at different area ratio

從圖5數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)流量下，某型變工況燃料泵在面積比Y＜21.57時(shí)，對(duì)應(yīng)AWR-001/002兩臺(tái)泵均在葉輪出口出現(xiàn)了兩個(gè)旋渦，且隨著面積比的增加，旋渦位置表現(xiàn)為由葉輪出口向下游遷移的趨勢(shì)，旋渦大小相比減小；當(dāng)Y＞21.57時(shí)，對(duì)應(yīng)AWR-004/005/006三臺(tái)泵在葉輪出口處出現(xiàn)了一個(gè)旋渦，且位置基本接近固定，旋渦大小有減小的發(fā)展趨勢(shì)。可以看出，對(duì)于某型燃料泵，正是由于通過(guò)改變其面積比，達(dá)到了改善葉輪與蝸殼部件之間的流動(dòng)，通過(guò)合理的面積比匹配減少了葉輪出口與蝸殼之間的由于回流及速度遷移引起的旋渦損失，從而改善了泵的不穩(wěn)定工作。2.3變工況泵穩(wěn)定性邊界探討

表4　某型變推力發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泵寬流量范圍面積比與工況比轉(zhuǎn)速變化規(guī)律Tab.4　Relation between area ratio and working condition specific speed of fuel pump of a variable thrust engine in wide flow range

按照泵比轉(zhuǎn)速的定義形式，研究了變工況泵不同（工況）流量下，泵的工況比轉(zhuǎn)速（綜合反映流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速特性）與面積比的規(guī)律，給出了某型變工況燃料泵不同流量 （工況下）下，泵工況比轉(zhuǎn)速與面積比的變化規(guī)律及其穩(wěn)定工作邊界，如表4所示。

從表4試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于變工況泵如果流量很小，其工況比轉(zhuǎn)數(shù)較低，泵穩(wěn)定工作特別要使用高的面積比，但是泵效率會(huì)因較大的面積比而相比較低；如果在大流量，工況比轉(zhuǎn)數(shù)較高，泵穩(wěn)定工作區(qū)域較寬，在保持葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，合理通過(guò)增大蝸殼喉部面積（減小面積比）可以得到較高的揚(yáng)程和平坦的流量-揚(yáng)程曲線，同時(shí)對(duì)應(yīng)的泵效率值亦相比較高。

3　結(jié)論

以某型變工況渦輪泵工程型號(hào)為對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究了變工況低比轉(zhuǎn)速高速離心泵性能穩(wěn)定性及其控制，結(jié)果表明：

1） 在保持葉輪不變的條件下，對(duì)于工程型號(hào)用泵或者泵制造廠對(duì)泵性能范圍及小流量穩(wěn)定性控制采用改變蝸殼泵喉部面積的方式是有效的，而且比較簡(jiǎn)單易行。

2）減小面積比，流量增大時(shí)，水力損失相對(duì)較?。ㄐ势撸?，且可使泵的最高效率點(diǎn)偏向大流量，并使流量揚(yáng)程特性曲線在大流量點(diǎn)趨于平坦；增大面積比，在減小流量時(shí)，水力損失相對(duì)增大（效率偏低），且使泵的最高效率點(diǎn)偏向小流量，同時(shí)使流量揚(yáng)程特性曲線在大流量點(diǎn)趨于陡峭。

3）對(duì)于變工況泵，流量（比）越大，其對(duì)面積比的敏感程度越低，對(duì)應(yīng)不同面積比的穩(wěn)定工作范圍越寬；流量（比）越小，其對(duì)面積比的敏感程度越高，對(duì)應(yīng)不同面積比的穩(wěn)定工作范圍越窄，基本規(guī)律為小流量對(duì)應(yīng)低比轉(zhuǎn)速和大面積比。

4） 某型發(fā)動(dòng)機(jī)在其變推力工況范圍內(nèi)，其燃料泵穩(wěn)定工作對(duì)應(yīng)的面積比范圍為21.57≤Y≤24.82，為工程型號(hào)研制及變工況低比轉(zhuǎn)速泵設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

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（編輯：馬杰）

Investigation on influence of different area ratio on stability of centrifugal pump with variable working conditions

ZHAO Ruiyong,ZHANG Cuiru,LIU Junnian,ZHANG Jinghui
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

Characteristics and stability on the low specific speed centrifugal pump with variable working conditions at different area ratio was investigated.The results show that the decrease of the area ratio will induce the efficiency increase and make the lift characteristic curve tend to smooth,and the increase of area ratio will increase the hydraulic loss and make the lift characteristic curve tend to craggedness.The stabilityinvestigation on pump at different area ratio shows that,in part-load working condition,the pumping flow is small and specific speed is low,so a high area ratio is required for stable work of the pump,otherwise the pumping efficiencywill be decreased;in over flow working condition, the pumping flow is large,the specific speed is high,and the stable working region of the centrifugal pump is wide,but the lower area ratio can increase the efficiencyand lift ofthe centrifugal pump.

variable thrust engine;centrifugal pump;low specific speed;area ratio;fuel pump stability

V434.2-34

A

1672-9374(2016)04-0035-06

2016-05-09；

2016-06-31

趙瑞勇（1984—），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵技術(shù)