王維軍,代勇波,譚向軍,吳大轉(zhuǎn),王立聞,陳東

(1.中航工業(yè)成都凱天電子股份有限公司,四川 成都610091;2.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院,浙江 杭州310000;3.東方電氣集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,四川 成都611731;4.陸軍裝備部航空軍事代表局駐成都地區(qū)航空軍事代表室,四川 成都610091)

微型高速燃油泵(以下簡稱燃油泵)廣泛應(yīng)用于無人機(jī)、靶機(jī)、導(dǎo)彈等燃油系統(tǒng),其葉輪直徑大,葉片流道長,葉片出口窄,多屬于低比轉(zhuǎn)數(shù)泵,具有運(yùn)行流量范圍寬(0.1Qd～1.0Qd)、葉片間擴(kuò)散嚴(yán)重、水力損失大、效率低、性能曲線平坦、環(huán)境溫度寬(-45～80 ℃)等特點(diǎn)[1].

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵非定常流動(dòng)、振動(dòng)、空化等做了大量研究.王維軍等[2]基于RNGk-ε湍流模型對(duì)帶復(fù)合葉輪的低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),短葉片抑制了工作面流動(dòng)的分離,改善了葉片上壓力分布,葉輪出口處的射流尾跡區(qū)明顯減小.王健等[3]研究了吸水室內(nèi)置隔板對(duì)低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵內(nèi)部非定常流動(dòng)特性的影響,吸水室內(nèi)置隔板時(shí)蝸殼各斷面壓力脈動(dòng)幅值均有所減小,作用在葉輪上的徑向力幅值減小,軸向力明顯減小.袁壽其等[4]采用不同形式的分流葉片提高了泵揚(yáng)程,并改善了葉輪出口的“射流-尾流”.ZHANG等[5]采用PIV可視化技術(shù)研究了低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu).李業(yè)強(qiáng)[6]采用CFX計(jì)算得到不同空化數(shù)下微型高速離心泵內(nèi)的氣泡分布,發(fā)現(xiàn)葉輪流道內(nèi)葉片吸力側(cè)出現(xiàn)低速流動(dòng)區(qū)和二次回流等現(xiàn)象.

結(jié)合以往研究成果,文中針對(duì)某型號(hào)帶復(fù)合葉輪的燃油泵采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合方法,在小流量、額定流量等3種工況下的內(nèi)部流動(dòng)及非定常振動(dòng)特性展開研究,獲得壓力、速度、振動(dòng)幅值等分布規(guī)律,從而為高轉(zhuǎn)速、低振動(dòng)燃油泵優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定理論依據(jù).

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

所研究的燃油泵為單級(jí)單吸離心式,該泵設(shè)計(jì)性能參數(shù)分別為流量Qd=120 L/h,增壓Δp≥40 kPa,轉(zhuǎn)速n=7 200 r/min.葉輪幾何參數(shù)分別為葉片進(jìn)口直徑D1=8.0 mm,葉片出口寬度b2=2.0 mm,葉片出口直徑D2=27.0 mm,葉片數(shù)Z=8(復(fù)合葉片,4長4短).蝸殼幾何參數(shù)分別為基圓直徑D3=29.5 mm,蝸殼寬度D3=5.0 mm.圖1為泵結(jié)構(gòu)簡圖.

圖1 燃油泵結(jié)構(gòu)簡圖

燃油泵內(nèi)部為三維不可壓縮湍流流動(dòng),采用SSTk-ω湍流模型[7-8]求解定常和非定常流場(chǎng).設(shè)置邊界條件分別為壓力進(jìn)口,質(zhì)量流量出口.葉輪與蝸殼、進(jìn)口段之間的動(dòng)靜交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法(frozen rotor).介質(zhì)采用JetA替代航空煤油RP-3.進(jìn)行非定常計(jì)算時(shí),以定常計(jì)算結(jié)果為初始流場(chǎng),動(dòng)靜域交界面處設(shè)為“transient frozen rotor”,時(shí)間步長取1.160×10-3s,即葉輪每旋轉(zhuǎn)5°計(jì)算1步,周期T=8.333×10-3s,計(jì)算5個(gè)旋轉(zhuǎn)周期,取最后一個(gè)收斂周期進(jìn)行分析,收斂精度設(shè)為1.0×10-5.

繪制泵三維模型,采用ANSYS Workbench mesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[9-10],其中燃油泵進(jìn)口延伸段為六面體網(wǎng)格,葉輪、蝸殼為四面體自適應(yīng)網(wǎng)格,離心葉片表面布置邊界層進(jìn)行加密,如圖2所示.

圖2 網(wǎng)格劃分

對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證[11-13],最終確定計(jì)算網(wǎng)格數(shù)約為200萬.圖3為離心葉片和蝸殼壁面的Y+分布,可以看出,Y+最大值為25.58,符合SSTk-ω湍流模型對(duì)近壁面網(wǎng)格質(zhì)量要求.

圖3 葉輪與蝸殼的Y+分布

1.2 數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證

根據(jù)HB 6171—1988《航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵汽蝕持久性試驗(yàn)方法》搭建燃油泵綜合性能測(cè)試臺(tái),如圖4所示.圖5為3個(gè)軸向X,Y,Z加速度傳感器布置和信號(hào)采集儀,其中加速度傳感器采用美國PCB公司生產(chǎn)的352C33通用型單軸加速度傳感器,信號(hào)采集儀為八通道INV3062-C2(L)型,采樣頻率為6.25 Hz～51.20 kHz.

圖4 燃油泵綜合性能測(cè)試臺(tái)示意圖

圖5 加速度傳感器布置及信號(hào)采集儀

圖6為燃油泵數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)性能曲線對(duì)比,可以看出:增壓隨著流量的增大而減小,在不同流量下,增壓的數(shù)值計(jì)算值均略大于試驗(yàn)值,誤差為4.3%～6.9%;泵效率隨著流量的增大而增大,在額定流量120 L/h時(shí)效率達(dá)到最大,且數(shù)值計(jì)算得到的效率始終高于試驗(yàn)值,這主要是由于數(shù)值計(jì)算忽略了壁面摩擦等機(jī)械損失,效率誤差均小于10%;整體上,數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合度均較高,這表明文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法是可靠的.

圖6 燃油泵外特性數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 定常計(jì)算

2.1.1 壓力分布

圖7為不同流量工況下微型高速燃油泵內(nèi)壓力分布,其中20,60 L/h為小流量工況,120 L/h為額定流量工況.

圖7 不同流量工況下壓力分布

由圖7可以看出:在3種流量工況下,泵內(nèi)壓力分布整體趨勢(shì)相似,均在葉輪進(jìn)口處最小,在葉輪出口處最大,從葉片尾部到頭部壓力逐漸變大,蝸殼內(nèi)壓力達(dá)到最大;在20 L/h流量工況下,葉片流道的低壓區(qū)僅位于葉輪進(jìn)口,而在額定流量工況下,低壓區(qū)集中于短葉片尾部,即2個(gè)長葉片中間的流道,這說明隨著流量靠近額定流量,長短葉片上的壓力梯度得以減小;隨著流量增大,蝸殼高壓區(qū)面積減小,表明越靠近額定流量,泵內(nèi)壓力分布就越均勻,符合燃油泵的外特性曲線.

2.1.2 速度分布

圖8為不同流量工況下燃油泵內(nèi)速度分布,可以看出:3種流量工況下,葉片流道內(nèi)均存在旋渦,最大流速出現(xiàn)在蝸殼內(nèi)形成的速度環(huán)流上;在20 L/h流量工況下,葉道渦僅分布于葉片吸力面靠近葉片頭部處,這是由于流量小流速低,葉片壁面發(fā)生脫流,造成流動(dòng)分離,且在蝸殼內(nèi)出現(xiàn)回流,堵塞流道,此時(shí)機(jī)組振動(dòng)較大;在60 L/h流量工況下,葉輪入口開始出現(xiàn)旋渦,并逐漸向葉片頭部發(fā)展,蝸殼內(nèi)環(huán)流的速度梯度較大;在額定流量工況下,雖然主流區(qū)仍存在多個(gè)葉道渦,但流體進(jìn)入蝸殼后的流態(tài)較穩(wěn)定,速度梯度變小,整體流態(tài)最好.

圖8 不同流量工況下速度分布

2.1.3 湍動(dòng)能分布

圖9為不同流量工況下燃油泵內(nèi)湍動(dòng)能分布,可以看出:在20 L/h流量工況下,在蝸殼隔舌附近的幾個(gè)葉輪流道內(nèi)湍動(dòng)能均較大,高湍動(dòng)能區(qū)域與旋渦分布高度對(duì)應(yīng),旋渦中心的湍動(dòng)能很大,并且隔舌處由于蝸殼和葉輪動(dòng)靜干涉作用,引起蝸殼內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定加劇;隨著流量增大,整體上主流區(qū)湍動(dòng)能開始減小,但高湍動(dòng)能區(qū)域仍為旋渦處;在額定流量工況下,燃油泵內(nèi)流動(dòng)最為穩(wěn)定,即使存在旋渦,但整體湍動(dòng)能分布均勻.

2.2 非定常計(jì)算

2.2.1 徑向力、軸向力分布

圖10為3種流量工況下燃油泵徑向力、軸向力在非定常計(jì)算的1個(gè)周期內(nèi)時(shí)域變化,可以看出:受葉輪、蝸殼之間的動(dòng)靜干涉作用影響,在1個(gè)葉輪周期內(nèi),徑向力在X,Y方向的分量周期性不明顯,在2個(gè)小流量工況下徑向力變化較大,其中20 L/h流量工況下徑向力在X軸的分量變化幅值達(dá)到了9.0×10-5N,在Y軸分量變化幅值達(dá)到了10.0×10-5N,表明這2個(gè)工況下葉片被流體不均勻地撞擊而使得徑向力增大,受到較大的離心作用;在額定流量工況下,流體在泵內(nèi)的流動(dòng)較為穩(wěn)定,葉輪周圍的流體壓力接近對(duì)稱分布,徑向力較小;軸向力呈明顯的周期性,說明軸向力變化比徑向力更加規(guī)律,1個(gè)葉輪周期內(nèi)軸向力共經(jīng)歷8次波峰波谷,與葉片數(shù)符合,但不同于徑向力的是,軸向力隨著流量的增大而增大,額定流量工況的軸向力大于小流量工況.

圖10 3種工況下徑向力、軸向力時(shí)域圖

圖11為不同流量工況下葉輪徑向力矢量分布,可以看出:3種工況下,隨著葉輪旋轉(zhuǎn),葉輪徑向力表現(xiàn)出不穩(wěn)定性,這是由葉輪與蝸殼的動(dòng)靜干涉作用引起的,當(dāng)葉輪經(jīng)過隔舌就會(huì)使徑向力增強(qiáng);在小流量工況下,徑向力矢量分布整體上為繞中心軸對(duì)稱的四角星狀,徑向力大小隨流量的增大而減小;在設(shè)計(jì)流量工況下,徑向力分布接近正方形狀,較為均勻.

2.2.2 壓力脈動(dòng)分析

壓力脈動(dòng)是衡量泵運(yùn)行穩(wěn)定性的重要因素,為研究微型高速燃油泵蝸殼的壓力脈動(dòng)特性,在蝸殼內(nèi)設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行非定常計(jì)算,監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示.

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

選取5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制壓力脈動(dòng)時(shí)域圖和頻域圖,并加上出口壓力與進(jìn)口壓力的增壓值變化,如圖13所示.可以看出:在一個(gè)葉輪周期內(nèi),小流量工況尤其是20 L/h流量工況下,增壓值變化很大,達(dá)到48 kPa以上,說明小流量工況內(nèi)部流動(dòng)很不穩(wěn)定,壓力變化大;小流量工況下,一個(gè)葉輪周期出現(xiàn)8次波峰波谷,且幅值交錯(cuò),這是由于當(dāng)長葉片經(jīng)過隔舌時(shí)會(huì)引起更加強(qiáng)烈的動(dòng)靜干涉,造成更大的壓力變化;在額定流量工況下,一個(gè)葉輪周期內(nèi)僅出現(xiàn)4次波峰波谷,此時(shí)短葉片的影響相比長葉片可以忽略;監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1,P3,P5,P7的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖均呈明顯周期性,隨著流量增大,各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)均減小,額定工況下壓力脈動(dòng)最小,此時(shí)泵運(yùn)行最為穩(wěn)定;由于文中進(jìn)口壓力保持不變,所以蝸殼出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)P9的壓力變化與增壓變化一致,額定工況下蝸殼出口短葉片已無明顯影響.

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)域

對(duì)壓力脈動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換得到其頻譜特征,結(jié)果如圖14所示.燃油泵轉(zhuǎn)速為7 200 r/min,即軸頻為fn=120 Hz,監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1,P3,P5,P7,P9的壓力脈動(dòng)主頻均為8fn,即1倍葉頻.受動(dòng)靜干涉作用影響,監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1隔舌處壓力脈動(dòng)振幅隨流量變化極大,在20 L/h流量工況的主頻幅值A(chǔ)p是額定工況的5倍以上.監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3和P5壓力脈動(dòng)頻域特征在各工況下差別不大,而靠近蝸殼出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)P7和P9處,小流量工況的主頻幅值再次遠(yuǎn)大于額定工況的主頻幅值,這說明流體在整個(gè)蝸殼的流動(dòng)過程中,隔舌和出口處的壓力變化最大,中間段流動(dòng)穩(wěn)定,壓力脈動(dòng)較小.

2.3 各軸向的振動(dòng)特性

圖15為試驗(yàn)測(cè)試得到的不同流量工況下3個(gè)方向X,Y,Z的振動(dòng)時(shí)域圖,圖中縱坐標(biāo)g為振動(dòng)加速度.

由圖15可以看出:在計(jì)算的12個(gè)葉輪周期內(nèi),3種流量工況下Y方向振動(dòng)時(shí)域圖的峰值均最大,平均約為X,Z方向的1.7倍,最大振動(dòng)幅值在60 L/h流量工況,達(dá)0.256 2 m/s2;20 L/h流量工況振動(dòng)加速度幅值變化最大,容易出現(xiàn)極高或極低的振動(dòng)加速度,這是由于此時(shí)流量小轉(zhuǎn)速高,泵內(nèi)流體激振力增大,容易出現(xiàn)短期劇烈振動(dòng),這對(duì)泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行不利;60 L/h流量工況的振動(dòng)加速度幅值也很大,流體誘導(dǎo)葉輪表面的不平衡力在泵內(nèi)傳導(dǎo),各部件摩擦振動(dòng);當(dāng)達(dá)到額定流量工況時(shí),泵內(nèi)流動(dòng)趨于穩(wěn)定,流體誘導(dǎo)振動(dòng)下降,所以此時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度最低.

圖16為不同流量工況下3個(gè)方向的振動(dòng)頻域圖,可以看出,不同流量工況下3個(gè)方向葉頻處的振動(dòng)幅值較小,峰值信號(hào)均出現(xiàn)在16fn即2倍葉頻處,該處各工況Z方向的振幅大于X,Y方向,結(jié)合圖10葉輪所受軸向力遠(yuǎn)大于徑向力,這與Z方向振動(dòng)更大相符合.

圖16 不同流量工況下X,Y,Z方向振動(dòng)頻域

3 結(jié) 論

1) 隨著流量增大,微型高速燃油泵內(nèi)壓力分布趨于均勻,但仍存在較多葉道渦,湍動(dòng)能耗散中心為旋渦處.

2) 葉輪所受徑向力在X,Y方向的分量無明顯周期性,但軸向力很有規(guī)律,1個(gè)葉輪周期內(nèi)出現(xiàn)8次波峰波谷,與葉片數(shù)吻合.

3) 不同工況的壓力脈動(dòng)時(shí)域均呈現(xiàn)出周期性,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主頻均在8fn處.

4) 在60 L/h流量工況下,振動(dòng)脈動(dòng)最大達(dá)到0.256 2 m/s2,不同流量工況下Z方向的振動(dòng)幅值顯著高于其他2個(gè)方向.