賀 青，王 玥，張海濤，何 彬

(中國航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西西安 710077)

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵主要采用的結(jié)構(gòu)形式包括離心泵、齒輪泵和柱塞泵。與齒輪泵和柱塞泵相比，離心泵具有體積小、重量輕、抗污染能力強(qiáng)、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。歐美等發(fā)達(dá)國家新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)都趨向于使用離心泵作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵，例如美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)F119-PW-100就采用了離心泵作為航空燃油泵。國內(nèi)現(xiàn)役或在研型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，也越來越多的采用離心泵作為航空燃油泵，尤其大流量、高轉(zhuǎn)速、高性能、高推比航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵絕大部分均采用離心泵進(jìn)行設(shè)計(jì)。

隨著新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)要求的不斷提高，某現(xiàn)用大流量航空燃油離心泵的增壓性能已無法滿足使用要求，在保證殼體及離心泵接口不變的前提下，對航空燃油離心泵進(jìn)行改進(jìn)，以滿足離心泵新的提壓增效要求[1-3]。

1 離心泵流場模擬與分析

1.1 增壓技術(shù)要求

某航空燃油離心泵現(xiàn)有性能無法滿足新增壓指標(biāo)要求，需進(jìn)行提壓增效設(shè)計(jì)，現(xiàn)有指標(biāo)與新指標(biāo)具體要求見表1。

表1 離心泵性能參數(shù)指標(biāo)對比

燃油離心泵屬于高轉(zhuǎn)速、大流量離心泵。葉輪為開式葉輪，葉輪外徑90 mm，葉片數(shù)5，現(xiàn)用葉輪如圖1所示。

圖1 葉輪

1.2 流場仿真分析

近年來，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于泵的設(shè)計(jì)和分析計(jì)算中。此次采用PumpLinx數(shù)值模擬方法對燃油離心泵內(nèi)流場進(jìn)行模擬。采用UG三維建模軟件對燃油離心泵進(jìn)行三維建模并抽取流道，過流部件流道示意圖如圖2所示[4]。在網(wǎng)格劃分中,設(shè)置最小網(wǎng)格為0.001，最大網(wǎng)格為0.025，即可得到高精度的笛卡爾網(wǎng)格，流體仿真模型的網(wǎng)格數(shù)量為255202。網(wǎng)格劃分后的幾何模型如圖3所示。

航空離心泵的工作介質(zhì)為航空燃油，流體參數(shù)和邊界條件的設(shè)置如表2所示。

圖2 過流部件的流道示意圖

圖3 網(wǎng)格劃分后模型

表2 流體參數(shù)和邊界條件

通過軟件運(yùn)算，迭代求解，設(shè)定計(jì)算迭代步數(shù)為3000步，設(shè)置監(jiān)控渦殼出口壓力，當(dāng)出口區(qū)域壓力穩(wěn)定時(shí)視為收斂[5-6]?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)燃油離心泵出口壓力仿真結(jié)果如圖4、圖5所示，功率曲線如圖6所示。可以看出，收斂條件下的出口壓力為8.4 MPa、功率197 kW。

1.3 仿真分析結(jié)果驗(yàn)證

對比分析不同流量下的20組燃油離心泵實(shí)際測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖4 出口壓力云圖

圖5 出口壓力曲線

圖6 功率曲線

圖7 出口壓力-流量曲線對比

圖8 功率-流量曲線對比

模擬數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在各個(gè)流量工況下趨勢基本相同。各個(gè)流量下出口壓力的誤差為1%，功率誤差為5%，數(shù)值模擬能夠精確地預(yù)測航空燃油離心泵性能，其仿真結(jié)果可作為后續(xù)改進(jìn)燃油離心泵的依據(jù)。

2 離心泵增壓設(shè)計(jì)

2.1 離心泵性能計(jì)算

揚(yáng)程：

(1)

式中，p1—— 離心泵進(jìn)口壓力,MPa

p2—— 離心泵出口壓力,MPa

ρ—— 密度,kg/m3

g—— 重力加速度,m/s2

v1—— 離心泵進(jìn)口流速,m/s

v2—— 離心泵出口流速,m/s

泵的比轉(zhuǎn)速：

(2)

式中，n—— 轉(zhuǎn)速，r/min

q—— 流量，m3/s

H—— 揚(yáng)程，m

現(xiàn)有技術(shù)指標(biāo)和新技術(shù)指標(biāo)下?lián)P程和比轉(zhuǎn)速的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 離心泵計(jì)算數(shù)據(jù)

2.2 葉輪增壓設(shè)計(jì)

燃油離心泵屬于低比轉(zhuǎn)速離心泵。由葉輪切割定理可知,低比轉(zhuǎn)速離心泵揚(yáng)程與葉輪外徑的平方成正比。可通過增加葉輪外徑的方法實(shí)現(xiàn)增加離心泵揚(yáng)程(即提高出口壓力)的目的[8]，如式(3)所示。

(3)

式中,H′ —— 改進(jìn)后的揚(yáng)程,m

D2—— 葉輪外徑，mm

D′2—— 改進(jìn)后的葉輪外徑，mm

通過計(jì)算將葉輪外徑由90 mm增加到93 mm，可達(dá)到離心泵增壓目的，在UG三維建模軟件中保證葉輪葉型不變，對葉輪外徑尺寸進(jìn)行修改。

對改進(jìn)后的模型進(jìn)行裝配并抽取流道進(jìn)行仿真分析。改進(jìn)后的離心泵出口壓力仿真分析結(jié)果如圖9、圖10所示，功率仿真結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?，收斂條件下的出口壓力為8.9 MPa，功率為205 kW。

圖9 葉輪外徑93 mm出口壓力云圖

圖10 葉輪外徑93 mm出口壓力曲線

圖11 葉輪外徑93 mm功率曲線

葉輪外徑增加后，離心泵出口壓力滿足新指標(biāo)增壓要求，但產(chǎn)品功率超出技術(shù)指標(biāo)要求，還需進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.3 葉輪增效設(shè)計(jì)

離心泵效率與葉輪幾何結(jié)構(gòu)有密切關(guān)聯(lián)。增加離心泵效率可減小輸入功率。修改以下5個(gè)方面的幾何參數(shù)可以有效的增加離心泵效率[7-9]。

(1) 改變?nèi)~片的彎曲形狀；

(2) 減少葉輪厚度和葉片數(shù)量；

(3) 改變?nèi)~片進(jìn)出口安放角；

(4) 采用長短葉片相間的形式；

(5) 選擇葉片包角。

其中，葉片數(shù)量越少，厚度越薄，對流體的排擠效應(yīng)越小，效率越高。此次采用減小葉片厚度的方法來增加離心泵的功率，減小輸入功率，來滿足功率要求。對葉輪葉片兩側(cè)均進(jìn)行裁剪，裁剪部位如圖12所示，葉片厚度變薄后的葉輪三維模型如圖13所示。

圖12 葉片修剪部位

圖13 減薄后葉輪三維模型

葉輪減薄后進(jìn)行流場仿真分析，離心泵出口壓力仿真結(jié)果如圖14、圖15所示，功率仿真結(jié)果如圖16所示?？梢钥闯觯諗織l件下的出口壓力為8.8 MPa，功率為196 kW。

燃油離心泵出口壓力實(shí)際估算值為8.7 MPa，功率實(shí)際估算值為186 kW，改進(jìn)后的離心泵出口壓力和效率均滿足新指標(biāo)要求。

2.4 葉輪強(qiáng)度仿真

葉輪改進(jìn)完成后，對葉輪進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，確定葉輪是否滿足強(qiáng)度要求。葉輪材料為TC4，其密度ρ=4800 kg/m3，彈性模量E=113 GPa，泊松比μ=0.34。

圖14 葉輪減薄后出口壓力云圖

圖15 葉輪減薄后出口壓力曲線

圖16 葉輪減薄后功率曲線

使用ANSYS Meshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，利用局部尺寸Sizing功能進(jìn)行尺寸控制，逐漸加密網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，當(dāng)局部尺寸Sizing值設(shè)置為0.5 mm時(shí)，即使再加密網(wǎng)格，模擬結(jié)果應(yīng)力值無明顯變化，仿真結(jié)果滿足網(wǎng)格無關(guān)性原則[10-12]。網(wǎng)格模型如圖17所示,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為267517，網(wǎng)格總數(shù)量為178110。

網(wǎng)格劃分完成后，對葉輪圓柱面施加Displacement約束；離心泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，施加轉(zhuǎn)速Rotational Velocity約束，轉(zhuǎn)速設(shè)置為27000 r/min；葉輪葉片施加Pressure載荷，力值設(shè)置為9 MPa(大于實(shí)際受力)并進(jìn)行計(jì)算，輸出等效應(yīng)力(Von Mises強(qiáng)度理論)分布云圖如圖18所示。

圖17 葉輪有限元模型

圖18 平均等效應(yīng)力分布云圖

應(yīng)力最大部位在葉片中間部位，最大應(yīng)力值為199.67 MPa。鈦合金TC4材料的屈服強(qiáng)度為860 MPa，所受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，安全系數(shù)為4.3，葉輪能夠滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

針對某航空燃油離心泵提壓增效新要求，采用PumpLinx數(shù)值模擬對離心泵流場進(jìn)行仿真驗(yàn)證，出口壓力誤差為1%，功率誤差為5%，仿真結(jié)果能夠作為判斷航空燃油離心泵性能是否滿足要求的依據(jù)。利用相似換算法與減薄葉片相結(jié)合的方法，對葉輪進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的離心泵增壓能力和功率均滿足新指標(biāo)要求。和傳統(tǒng)分析方法相比，基于內(nèi)流場仿真的航空增壓離心泵分析方法，其性能分析結(jié)果可信度較高，有助于減少試驗(yàn)成本，縮短驗(yàn)證周期，有很高的工程實(shí)用價(jià)值。