王維軍，譚向軍，黃巧平

（航空工業(yè)成都凱天電子股份有限公司，成都 610091）

0 引言

航空燃油泵是飛機(jī)燃油系統(tǒng)的主要附件，通常安裝在飛機(jī)油箱內(nèi)部，給發(fā)動(dòng)機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)增壓泵）進(jìn)口提供所需流量和壓力的燃油；或按規(guī)定的順序傳輸油箱間燃油，以保證飛機(jī)重心變化符合規(guī)定要求。與其他行業(yè)泵有一些顯著區(qū)別：高抗空化、結(jié)構(gòu)輕量化、狀態(tài)診斷與反饋、工況復(fù)雜、功重比高等。從功能方面可分為：供油泵［1-2］、啟動(dòng)泵、散熱泵、輸油泵、轉(zhuǎn)輸泵、應(yīng)急放油泵和加力燃油泵［3-5］等。從結(jié)構(gòu)形式可分為：離心式、容積式、射流式和旋渦式。

雙端供油泵屬于固定翼戰(zhàn)斗機(jī)、無人機(jī)等燃油系統(tǒng)低壓輸油機(jī)電設(shè)備，是低壓離心式燃油泵的一種。結(jié)構(gòu)上具有雙吸油口、單出油口、雙泵并聯(lián)式、浸沒式安裝等特點(diǎn)；性能上需滿足大過載倒飛、額定-值班-加力等；供電有28 V直流低電壓與270 V直流高電壓2種；轉(zhuǎn)速較高，一般7 000～15 000 r/min，供油平穩(wěn)，脈動(dòng)現(xiàn)象較弱；具有可浸燃油的濕式電機(jī)與滑動(dòng)軸承［6］；另外具有故障報(bào)警、過熱保護(hù)、防爆等功能。

雙端供油泵原理如圖1所示，采用雙誘導(dǎo)輪+雙離心葉輪組合、上下結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱、270 V直流供電、直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)。工作原理：雙端供油泵接通270 V直流電源后，通過控制器輸出信號(hào)給電機(jī)霍爾元件，直流無刷電機(jī)啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)同軸的上、下葉輪高速旋轉(zhuǎn)，燃油經(jīng)過濾網(wǎng)進(jìn)入上、下葉輪，被增壓后進(jìn)入上、下泵蝸室，將大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能后匯聚在連通管從出口管道流出，供給發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。

圖1 雙端供油泵原理Fig.1 Schematic diagram of double-inlet fuel pump

Parker Aerospace、Eaton Aerospace雙端供油泵，主要裝備機(jī)型有：Lockheed Martin F35隱身戰(zhàn) 斗 機(jī)、Boeing A-160、Lockheed F-16、Northrop F-18、Sikorsky S-70、S-92、CH-148、H-92、UH-60、Hawk/T45等主流軍機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行高效，滿足反向飛行和負(fù)過載條件、高海拔和爬升速度高、防爆和熱保護(hù)、免維護(hù)、全壽命周期成本低、可輸送多種燃料及干運(yùn)轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。

1 計(jì)算模型

1.1 雙端供油泵工況點(diǎn)

最大流量為30 000 L/h（上、下葉輪流量比例1：1），增壓大于200 kPa；零流量，增壓不大于300 kPa；輸送介質(zhì)為RP-3航空煤油，密度為753 kg/m3，進(jìn)口最小壓力35 kPa。

1.2 設(shè)計(jì)要求

（1）雙葉片匹配性高，上、下泵增壓值相差不大于5%，需滿足零流量點(diǎn)與最大流量點(diǎn)增壓。

（2）上、下泵水力效率不低于70%。

1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）上、下葉輪需考慮空化，采用前置誘導(dǎo)輪增壓技術(shù)［7］。

（2）取最大流量作為設(shè)計(jì)流量，使得泵在設(shè)計(jì)流量運(yùn)行時(shí)，增壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求的同時(shí)效率最高，能很好地滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力狀態(tài)時(shí)供油需求［8-9］。

（3）雙泵同軸轉(zhuǎn)速的確定需滿足壓力與空化余量為前提取較高轉(zhuǎn)速，可有效減小雙端供油泵的體積與重量。

（4）設(shè)計(jì)過程需要增壓換算成揚(yáng)程來確定比轉(zhuǎn)速。

水力模型設(shè)計(jì)過程如圖2所示。

圖2 水力模型設(shè)計(jì)過程Fig.2 Hydraulic model design process

1.4 主要性能參數(shù)

根據(jù)上述過程，確定單泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：流量 15 000 L/h，增壓 210 kPa，轉(zhuǎn)速 7 250 r/min，比轉(zhuǎn)速142；根據(jù)速度系數(shù)法及一體式誘導(dǎo)輪葉輪設(shè)計(jì)技術(shù)等確定上、下泵的主要水力參數(shù)見表1。

表1 上、下泵主要水力參數(shù)Tab.1 Main hydraulic parameters of upper and lower pumps

上、下葉輪三維模型如圖3所示，坐標(biāo)系（以轉(zhuǎn)軸為Z軸建立柱坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)的曲線）為理論增壓變化曲線?？梢钥闯?，誘導(dǎo)輪離心葉輪分體式設(shè)計(jì)與一體式設(shè)計(jì)的不同點(diǎn)有：（1）軸向長度，分體式大于一體式；（2）分體式增壓不連續(xù)，在誘導(dǎo)輪出口與葉輪進(jìn)口之間存在無增壓區(qū)域，或在實(shí)際運(yùn)行時(shí)葉輪進(jìn)口處壓力P3小于誘導(dǎo)輪出口壓力P2，一體式設(shè)計(jì)后增壓曲線延軸向線性單調(diào)增大。

圖3 上、下葉輪三維模型Fig.3 Three-dimensional model of upper and lower impellers

根據(jù)表1建立上、下泵三維計(jì)算模型，如圖4所示，進(jìn)、出口適當(dāng)延長以防止仿真計(jì)算過程中出現(xiàn)回流現(xiàn)象。

圖4 上下泵三維計(jì)算模型Fig.4 Three-dimensional model of upper and lower pumps

2 數(shù)值計(jì)算方法與網(wǎng)格

雙端供油泵內(nèi)部流動(dòng)為三維不可壓縮流動(dòng)，高度充分的湍流，采用RNG k-ε雙方程湍流模型［11-12］進(jìn)行定常單相求解，空化模型采用ZGB模型［13-14］。

本文設(shè)置進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口，出口邊界條件為質(zhì)量流量，固壁采用無滑移壁面，近壁區(qū)采用伸縮壁面函數(shù)法（Scalable Wall Functions），誘導(dǎo)輪與葉輪、葉輪與蝸殼動(dòng)靜交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法（Frozen Rotor）［15］，收斂精度為 10-5?？栈M計(jì)算的初始為無空化收斂后的結(jié)果，通過改變進(jìn)口壓力使雙端供油泵發(fā)生空化，液相采用Jet A Liquid，汽相采用Jet A，收斂精度與單相一致。

隨著網(wǎng)格質(zhì)量的提高，性能預(yù)測的誤差將會(huì)逐漸減低，為了獲得最經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)格數(shù)和計(jì)算步長［16］。本文通過網(wǎng)格無關(guān)性原則確定了計(jì)算網(wǎng)格數(shù)，葉輪和蝸殼采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，葉片表面設(shè)置邊界層，10層，層厚1 mm，比率1.2，泵進(jìn)、出口延伸段采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。雙端供油泵計(jì)算網(wǎng)格數(shù)見表2。

表2 計(jì)算網(wǎng)格數(shù)Tab.2 Number of grids

3 結(jié)果分析

本文采用RNG k-ε雙方程湍流模型數(shù)值計(jì)算 了 2 500，5 000，7 500，10 000，12 500，15 000，17 500 L/h等7種工況下的內(nèi)部流動(dòng)。在此基礎(chǔ)上計(jì)算了設(shè)計(jì)工況15 000 L/h下空化數(shù)σ=0.317 3，0.273 9，0.230 3，0.186 9，0.143 4，0.1，0.056，0.013 4的8種不同空化流動(dòng)。

定義空化數(shù)σ：

式中P∞——泵進(jìn)口總壓；

PV——飽和蒸汽壓；

ρ ——密度；

U1——葉輪進(jìn)口圓周速度。

3.1 Y+分析

Y+為第一層網(wǎng)格質(zhì)心到壁面的無量綱距離，與速度、黏度、剪應(yīng)力等有關(guān)系。Y+的值合理，表明第一層邊界網(wǎng)格布置較為合理，近壁區(qū)網(wǎng)格影響數(shù)值計(jì)算的精度［17］。從圖5可知，葉片表面的Y+值在0～68之間，網(wǎng)格設(shè)置合理可行。

圖5 Y+值分布Fig.5 Distribution of Y+ values

3.2 單相數(shù)值預(yù)測

圖6 示出上、下泵的外特性曲線（流量Q-增壓ΔP，流量Q-效率η，流量Q-功率P），從圖可看出：全流量范圍區(qū)間，下泵的增壓值高于上泵增壓值，Q=17 500 L/h時(shí)增壓值相差最大為7.579 kPa，3.854%，Q=12 500 L/h時(shí)增壓值相差最小為2.355 kPa，0.993%，滿足上、下泵設(shè)計(jì)時(shí)增壓值相差5%的要求，雙泵Q-ΔP曲線單調(diào)遞減；當(dāng)Q＜7 500 L/h時(shí)，上、下泵效率基本相等，當(dāng)Q＞7 500 L/h時(shí)，下泵效率高于上泵，當(dāng)Q＝12 500 L/h時(shí)，下泵效率84.19%，上泵效率80.7%，滿足設(shè)計(jì)要求水力效率＞70%，當(dāng)Q=10 000～17 500 L/h時(shí)雙泵效率均大于78%，均有較寬的高效區(qū)間運(yùn)行范圍；全流量范圍內(nèi)，雙泵功率曲線呈線性增大，未出現(xiàn)功率極值點(diǎn)，雙泵消耗功率均不大于1 500 W，總消耗水功率不大于3 000 W。

圖6 上下泵外特性Fig.6 External characteristics of upper and lower pumps

圖7示出 5 000，10 000，12 500 L/h 3種工況下的上、下泵Z=0截面上的靜壓云圖，從圖可以看出：在各工況條件下，上泵進(jìn)口處低壓區(qū)明顯高于下泵，且上泵的最小壓力大于下泵，小流量時(shí)蝸殼擴(kuò)散段均出現(xiàn)了高壓區(qū)，下泵蝸殼內(nèi)的高壓區(qū)大于上泵，但上泵的最大壓力大于下泵，葉輪出口均呈現(xiàn)較強(qiáng)的尾跡區(qū)；隨著流量的增加，上泵的最小壓力呈逐漸減小趨勢(shì)，而下泵的最小壓力呈先減小后增大趨勢(shì)，上泵的最大壓力低于下泵，蝸殼內(nèi)高壓區(qū)呈環(huán)狀均勻分布，當(dāng)Q≥10 000 L/h時(shí)，雙泵葉輪內(nèi)部靜壓分布呈軸對(duì)稱，此狀態(tài)的葉輪水力效率也較高，下泵靜壓云圖分布較優(yōu)［18］。

圖7 上、下泵靜壓云圖Fig.7 Static pressure nephogram of upper and lower pumps

圖8示出了 5 000，10 000，12 500 L/h 3 種 工況下的上、下泵Z=0截面上的速度流線。當(dāng)Q=5 000 L/h時(shí)，雙泵葉輪內(nèi)部靠近蝸殼第8斷面的3個(gè)流道內(nèi)出現(xiàn)了明顯的軸向漩渦，隨著流量的增大，這些軸向漩渦逐步減小并消失，設(shè)計(jì)工況下雙泵速度流線分布光滑。

圖8 上下泵速度流線Fig.8 Velocity streamlines of upper and lower pumps

3.3 空化性能預(yù)測

圖9示出了15 000 L/h設(shè)計(jì)工況下上、下泵的空化數(shù)與增壓之間的曲線。

圖9 設(shè)計(jì)工況上下泵的空化數(shù)與增壓Fig.9 Curves of cavitation number versus pressurization value of upper and lower pumps under design conditions

當(dāng)空化數(shù)σ≥0.1時(shí)，增壓降低不明顯，上泵增壓從219.9 kPa降低至215.4 kPa，降低了5.5 kPa，下泵增壓從227 kPa降低至221.6 kPa，降低了5.4 kPa，為初生空化；當(dāng)空化數(shù)σ＜0.1時(shí)，增壓曲線出現(xiàn)了陡降，當(dāng)空化數(shù)σ=0.013 4，雙泵增壓值均小95 kPa，為完全空化。

圖10示出了空化數(shù)分別為σ=0.273 9，0.186 9，0.1，0.056，0.013 4時(shí)的誘導(dǎo)輪葉輪汽相分布。

圖10 不同空化數(shù)下空泡誘導(dǎo)輪葉輪汽相云圖Fig.10 Vapor phase nephogram of inducer and impeller under different cavitation numbers

從圖可以看出：同一空化數(shù)下葉輪長葉片頭部吸力面先出現(xiàn)明顯空化區(qū)；當(dāng)空化數(shù)σ≥0.186 9時(shí)空泡區(qū)僅在誘導(dǎo)輪和長葉片上出現(xiàn)，主葉片上未發(fā)現(xiàn)空泡區(qū)，對(duì)葉輪做功影響較小，外特性下降不明顯；當(dāng)空化數(shù)σ=0.1時(shí)，雙泵主葉片出現(xiàn)了微小空泡區(qū)，此時(shí)增壓略有下降，為初生空化；隨著進(jìn)口壓力的下降，誘導(dǎo)輪與長葉片上的空泡區(qū)明顯增大，空泡區(qū)逐步占據(jù)葉輪區(qū)，排擠液體使葉輪做功能力顯著下降；上下葉輪的空化性能優(yōu)于文獻(xiàn)［8］的一體式誘導(dǎo)輪葉輪，本文設(shè)計(jì)的雙端供油泵有顯著的抗空化能力。

4 結(jié)論

（1）誘導(dǎo)輪葉輪一體式設(shè)計(jì)效率、增壓均高于分體式，效率最高為84.19%；雙端供油泵上、下葉輪的增壓值相差值滿足不大于5%的設(shè)計(jì)要求。

（2）初生空化時(shí)外特性降低幅度小，上、下葉輪的空化區(qū)位于葉片進(jìn)口邊吸力面；隨著進(jìn)口壓力的減小，當(dāng)空化數(shù)為0.013 4時(shí)，誘導(dǎo)輪與葉輪被空泡占據(jù)，此時(shí)外特性增壓值下降明顯。

（3）誘導(dǎo)輪葉輪分體式與一體式設(shè)計(jì)均能滿足空化與效率要求。