賀 青，李晶晶，高 妮，王淑紅

(中國航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司設(shè)計(jì)研究所，陜西 西安 710077)

引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，國內(nèi)外均多采用離心泵做為燃油控制系統(tǒng)離心泵，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)。

某航空燃油離心泵葉輪為開式葉輪。在高轉(zhuǎn)速、大流量工況下，離心泵葉輪在使用過程中會(huì)出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，葉輪汽蝕照片如圖1所示。葉輪汽蝕會(huì)對航空燃油離心泵工作可靠性產(chǎn)生很大的隱患，直接影響產(chǎn)品的使用壽命，離心泵的汽蝕問題也是航空燃油離心泵研究中亟待解決的難題[1-3]。

圖1 葉輪汽蝕照片

1 燃油離心泵汽蝕機(jī)理分析

航空燃油離心泵在高轉(zhuǎn)速、大流量工況下，燃油經(jīng)過葉片時(shí)，由于葉片葉型的特性，在葉片進(jìn)口稍后處會(huì)形成低壓區(qū)，當(dāng)局部區(qū)域的壓力低于燃油當(dāng)時(shí)溫度下的飽和壓力時(shí)，會(huì)吸收熱能發(fā)生汽化現(xiàn)象從而析出氣泡，且溫度升高時(shí)原先溶解在燃油的空氣也會(huì)析出，形成氣泡。隨著局部壓力的降低，氣體不斷的析出產(chǎn)生氣泡并卷帶在液流中。

葉輪不斷旋轉(zhuǎn)對燃油做功，葉片間從進(jìn)口到出口過流通道截面也在不斷擴(kuò)大，燃油壓力會(huì)不斷增加，當(dāng)壓力上升到飽和蒸汽壓之上時(shí)，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡逐漸縮小以至凝結(jié)，在氣泡消失的同時(shí)，燃油流體質(zhì)點(diǎn)以高速填充空穴而發(fā)生相互碰撞，形成強(qiáng)烈的沖擊。當(dāng)氣泡連續(xù)破裂時(shí)，過流部件就會(huì)承受連續(xù)的沖擊，對過流部件的零件材料表面產(chǎn)生巨大破壞力，造成材料疲勞、破壞，且沖擊還會(huì)釋放大量的能量使氣泡周圍的環(huán)境溫度上升，氣泡中空氣的氧成分也會(huì)氧化過流部件的表面，造成材料性質(zhì)改變、剝離，過流部件產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法。對選定的試驗(yàn)因素可通過正交關(guān)系選出具有代表性的組合，對選擇出的組合進(jìn)行模擬分析，得出各個(gè)參數(shù)對產(chǎn)品性能的影響情況，可以通過較少的試驗(yàn)次數(shù)找出最優(yōu)的水平組合，是一種高效、便捷的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[4-6]。

某航空燃油離心泵現(xiàn)用葉輪為開式葉輪。在保證現(xiàn)有殼體及泵接口不變的前提下，可通過對葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來提高燃油離心泵的抗汽蝕性能。選取葉輪出口直徑D2、葉輪出口寬度b2、葉片數(shù)Z、葉片厚度H作為試驗(yàn)因素，4個(gè)試驗(yàn)因素如圖2所示。每個(gè)試驗(yàn)因素選取3個(gè)合理的水平，正交試驗(yàn)水平表如表1所示。

圖2 正交試驗(yàn)參數(shù)

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

按照L9(34)正交表，不同因素與水平合理均勻地分成9組試驗(yàn)方案，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案

3 數(shù)值模擬分析

3.1 網(wǎng)格劃分

確定9組不同試驗(yàn)方案后，采用UG軟件對不同參數(shù)的葉輪進(jìn)行建模，采用PumpLinx軟件進(jìn)行流場仿真分析[7-8]。

在流場仿真過程中，最小網(wǎng)格設(shè)置為0.001，最大網(wǎng)格為0.025，可得到高精度的笛卡爾網(wǎng)格，流體仿真模型的總網(wǎng)格數(shù)量為210474到245195之間。

網(wǎng)格劃分后的幾何模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分后模型

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3所示。

表3 流體參數(shù)和邊界條件

3.2 泵汽蝕余量理論計(jì)算

離心泵的泵汽蝕余量NPSHr是表征泵汽蝕性能的一個(gè)重要參數(shù)，表示在不發(fā)生空化條件下泵達(dá)到的性能參數(shù)。離心泵泵汽蝕余量可通過揚(yáng)程和比轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算。

揚(yáng)程：

(1)

式中，H—— 揚(yáng)程，m

p1—— 離心泵進(jìn)口壓力，MPa

p2—— 離心泵出口壓力，MPa

v1—— 離心泵進(jìn)口流速，m/s

v2—— 離心泵出口流速，m/s

ρ—— 密度，kg/m3

g—— 重力加速度，m/s2

比轉(zhuǎn)速:

(2)

式中,n—— 轉(zhuǎn)速，r/min

q—— 流量，m3/s

泵汽蝕余量：

(3)

式中, NPSHr —— 泵汽蝕余量，m

ns—— 比轉(zhuǎn)速

H—— 揚(yáng)程，m

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

對表2中9組數(shù)據(jù)進(jìn)行流場仿真分析時(shí)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為27000 r/min，出口流量為0.012464 m3/s，進(jìn)口壓力為1 MPa，仿真結(jié)果得出9組不同參數(shù)的離心泵對應(yīng)的出口壓力。通過式(3)計(jì)算出泵汽蝕余量。正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果 m

3.4 極差分析

為了研究所選的試驗(yàn)參數(shù)對航空燃油離心泵性能的影響規(guī)律，找到主要影響因素及最優(yōu)方案，對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析。極差分析計(jì)算公式如式(4)所示。通常情況下，ki越大，說明該水平下的各性能指標(biāo)越高，R越大，說明該因素對離心泵的工作性能影響越大。

(4)

式中，Ej—— 某一因素的數(shù)值

Ki——j個(gè)水平因素?cái)?shù)值之和

ki—— 每個(gè)因素的平均值

R—— 極差

極差分析結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)參數(shù)對泵汽蝕余量的影響數(shù)據(jù)分析

選取的4個(gè)參數(shù)對離心泵泵汽蝕余量影響的主次順序?yàn)镈>B>C>A。以離心泵泵汽蝕余量最優(yōu)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，則最優(yōu)參數(shù)組合是A3B2C1D2，即D2=92 mm，b2=7.5 mm，Z=5，H=2.1mm。

4 優(yōu)化模型數(shù)值模擬分析

4.1 優(yōu)化后離心泵汽蝕余量對比

根據(jù)葉輪最優(yōu)組合參數(shù)，采用UG三維建模軟件對優(yōu)化后的葉輪進(jìn)行三維建模，葉輪三維模型如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后葉輪模型

對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析可知，可通過優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)來降低航空燃油離心泵的泵汽蝕余量，提高燃油離心泵抗汽蝕的能力。

對比不同流量工況下，現(xiàn)用離心泵和參數(shù)優(yōu)化后離心泵的泵汽蝕余量，對比結(jié)果如圖5所示。優(yōu)化前、后離心泵泵汽蝕余量隨流量變化的趨勢基本一致，表明了正交試驗(yàn)優(yōu)化方法的可行性，仿真分析結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確的表達(dá)其變化趨勢。

圖5 泵汽蝕余量-流量曲線對比

對比表6中的優(yōu)化前、后離心泵泵汽蝕余量試驗(yàn)結(jié)果，在不同流量下，優(yōu)化葉輪參數(shù)后的離心泵泵汽蝕余量均小于現(xiàn)用離心泵泵汽蝕余量，達(dá)到了優(yōu)化離心泵的目的。小流量狀態(tài)下，抗汽蝕性能提升最顯著。

表6 優(yōu)化前后泵汽蝕余量試驗(yàn)結(jié)果對比

4.2 蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬

對現(xiàn)用離心泵和參數(shù)優(yōu)化后離心泵的蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行仿真分析，參數(shù)設(shè)置如下：轉(zhuǎn)速27000 r/min，出口流量0.012464 m3/s，進(jìn)口壓力1 MPa。優(yōu)化后離心泵蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000404692，現(xiàn)用離心泵蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000505753。蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了19.98%，說明參數(shù)優(yōu)化后離心泵的抗汽蝕能力顯著提升。離心泵蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了基于正交試驗(yàn)的離心泵空化性能優(yōu)化方法的準(zhǔn)確性。優(yōu)化前后葉輪蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖如圖6和圖7所示。

圖6 現(xiàn)用葉輪蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖7 優(yōu)化后葉輪蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)

4.3 葉輪強(qiáng)度仿真

優(yōu)化后的葉輪進(jìn)行零件加工前，還需使用ANSYS Meshing軟件對葉輪進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，分析葉輪應(yīng)力集中部位和應(yīng)力大小，判斷參數(shù)優(yōu)化后的葉輪是否滿足強(qiáng)度要求[9-12]。

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；采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；依照仿真精度與網(wǎng)格無關(guān)性原則網(wǎng)格尺寸Sizing值設(shè)置為0.5 mm；使用contact sizing功能進(jìn)行局部網(wǎng)格控制；節(jié)點(diǎn)總數(shù)為327472，網(wǎng)格總數(shù)量為192802。葉輪有限元模型如圖8所示。

圖8 葉輪有限元模型

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RotationalVelocity約束，轉(zhuǎn)速設(shè)置為27000 r/min；葉輪葉片施加Pressure約束，力值設(shè)置為9 MPa(大于實(shí)際受力)并進(jìn)行計(jì)算，輸出平均等效應(yīng)力(Von Mises強(qiáng)度理論)分布云圖如圖9所示。

圖9 平均等效應(yīng)力分布云圖

由圖9可知，應(yīng)力最大部位在葉片上部，最大應(yīng)力值為170.97 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)n=5，葉輪能夠滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

某航空燃油離心泵在使用過程中出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，采用正交試驗(yàn)法對現(xiàn)用離心泵葉輪進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過極差分析得出各參數(shù)對離心泵泵汽蝕余量的影響順序，最終得到一組以泵汽蝕余量最小為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)方案。對優(yōu)化前后的燃油離心泵進(jìn)行流場仿真，優(yōu)化后離心泵的泵汽蝕余量變化趨勢與現(xiàn)用離心泵的泵汽蝕余量變化趨勢一致，證明了用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。優(yōu)化后離心泵的蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)比現(xiàn)用離心泵的蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了19.98%，說明優(yōu)化后的航空燃油離心泵抗汽蝕性能得到了顯著提升。

和傳統(tǒng)分析方法相比，正交試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)者快速得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，有助于減少設(shè)計(jì)周期和試驗(yàn)成本，為后續(xù)離心泵設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。