收稿日期：2022-06-27""" 修回日期：2023-02-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.2020YFB0311600）

通信作者：馬高長(zhǎng)。E-mail： 1142546576@qq.com

引用格式：

鄒品文，馬高長(zhǎng)，嚴(yán)社斌，等. 基于燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試技術(shù)的研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2024，41（3）：509-515.

ZOU Pinwen，MA Gaozhang，YAN Shebin，et al. Research on axial force testing technology of impeller of fuel centrifugal pump［J］.Chinese journal of applied mechanics，2024，41（3）：509-515.

文章編號(hào)：1000-4939（2024）03-0509-07

摘" 要：燃油離心泵的葉輪軸向力平衡設(shè)計(jì)是提升產(chǎn)品性能、壽命、可靠性等技術(shù)指標(biāo)的重要途徑，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)燃油離心泵葉輪軸向力平衡設(shè)計(jì)提出了更為苛刻的要求；現(xiàn)有設(shè)計(jì)技術(shù)、仿真技術(shù)、測(cè)試技術(shù)難以準(zhǔn)確指導(dǎo)葉輪軸向力平衡設(shè)計(jì)，造成燃油離心泵異常磨損等故障頻發(fā)。通過(guò)對(duì)燃油離心泵結(jié)構(gòu)特征、工作原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種燃油離心泵工作過(guò)程中測(cè)試葉輪軸向力的新技術(shù)，該技術(shù)將燃油離心泵工作過(guò)程中承載的軸向力傳遞給作動(dòng)筒活塞，再使用閉環(huán)控制原理，控制作動(dòng)筒兩腔液壓力保證在葉輪軸向力作用下作動(dòng)筒活塞位置保持不變，通過(guò)作動(dòng)筒兩腔液壓力和液壓作用面積即可算出葉輪軸向力的大小；本研究的測(cè)試技術(shù)可以有效指導(dǎo)燃油離心泵葉輪軸向力平衡設(shè)計(jì)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從而提高產(chǎn)品可靠性。

關(guān)鍵詞：燃油離心泵；葉輪軸向力；平衡設(shè)計(jì)；新技術(shù)；測(cè)試難題

中圖分類號(hào)：TH11" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.11776/j.issn.1000-4939.2024.03.003

Research on axial force testing technology of impeller of fuel centrifugal pump

ZOU Pinwen，MA Gaozhang，YAN Shebin，YANG Dongzhu，WANG Dezhao，PAN He

（Aecc Guizhou Honglin Aero Engine Control Technology Co.，Ltd.，550009 Guiyang，China）

Abstract：The axial force balance design of the impeller of the fuel centrifugal pump is an important way to improve the product performance，life，reliability and other technical indicators.With the development of aeroengine technology，more stringent requirements are put forward for the axial force balance design of the impeller of the fuel centrifugal pump; The existing design technology，simulation technology and testing technology cannot to accurately guide the axial force balance design of the impeller，resulting in frequent failures such as abnormal wear of the fuel centrifugal pump. This paper analyzes the structural characteristics and working principle of the fuel oil centrifugal pump，and designs a new technology to measure the axial force of the impeller during the working process of the fuel oil centrifugal pump.This technology transfers the axial force carried by the fuel oil centrifugal pump during the working process to the piston of the actuating cylinder，and then uses the closed-loop control principle to control the hydraulic pressure in the two chambers of the actuating cylinder to ensure that the piston position of the actuating cylinder remains unchanged under the axial force of the impeller.The axial force of the impeller can be calculated by the hydraulic pressure of the two chambers of the actuating cylinder and the hydraulic action area. The testing technology studied in this paper solves the problem of testing the axial force of the impeller during the working process of the fuel oil centrifugal pump，can effectively guide the axial force balance design of the impeller of the fuel oil centrifugal pump and optimize the product structure，thus improving the reliability of the product.

Key words：fuel centrifugal pump; impeller axial force; balanced design; new technology; test challenge

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高性能燃油離心泵的需求日益增加。高性能燃油離心泵主要體現(xiàn)在大流量、高壓力、高轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)壽命等方面，而葉輪軸向力大小是影響燃油離心泵可靠工作的重要因素之一，隨著燃油離心泵設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有葉輪軸向力設(shè)計(jì)的計(jì)算技術(shù)、仿真技術(shù)、測(cè)試技術(shù)難以指導(dǎo)燃油離心泵葉輪軸向力平衡設(shè)計(jì)。若燃油離心泵葉輪軸向力平衡設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成燃油離心泵葉輪、軸承、殼體等關(guān)鍵零件異常磨損，直接影響產(chǎn)品的性能、壽命和可靠性。本研究從燃油離心泵結(jié)構(gòu)特征、工作原理等方面進(jìn)行分析，研究一種燃油離心泵工作過(guò)程中葉輪軸向力測(cè)試的新技術(shù)，解決了燃油離心泵工作過(guò)程中葉輪軸向力測(cè)試難的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)燃油離心泵葉輪軸向力研究方面主要有理論計(jì)算、流體仿真、測(cè)試試驗(yàn)等［1-5］。測(cè)量離心泵軸向力常用的方法有電阻應(yīng)變片測(cè)量法、應(yīng)變傳感器測(cè)量法。在承載葉輪軸向力的部位貼上電阻應(yīng)變片或應(yīng)變傳感器，通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片或應(yīng)變傳感器的變化，從而計(jì)算出軸向力的大小。還有通過(guò)測(cè)量葉輪兩側(cè)液體壓力從而計(jì)算出離心泵工作過(guò)程中葉輪承載的軸向力大小的方法。電阻應(yīng)變片測(cè)量法和應(yīng)變傳感器測(cè)量法對(duì)燃油溫度影響較為敏感，燃油離心泵工作時(shí)對(duì)燃油做功導(dǎo)致燃油溫度升高，造成傳感器出現(xiàn)應(yīng)變從而影響測(cè)量精度和置信度；而測(cè)量葉輪兩側(cè)液體壓力的方法需在燃油離心泵增加測(cè)壓點(diǎn)，由于燃油離心泵空間限制，無(wú)法準(zhǔn)確掌握葉輪兩側(cè)壓力分布情況。

本研究提出的燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試技術(shù)，是將燃油離心泵工作過(guò)程中承載的軸向力傳遞給作動(dòng)筒活塞，再使用閉環(huán)控制原理控制作動(dòng)筒兩腔液壓力保證活塞位置在外力作用下始終不變，通過(guò)作動(dòng)筒兩腔液壓力和液壓作用面積即可算出葉輪軸向力的大小。該測(cè)試技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)試精度高、推廣應(yīng)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1" 葉輪軸向力測(cè)試方案

1.1" 葉輪軸向力測(cè)試原理

燃油離心泵工作時(shí)，葉輪高速旋轉(zhuǎn)對(duì)燃油介質(zhì)做功，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為燃油的動(dòng)能和壓力能，增壓后的燃油作用在葉輪上產(chǎn)生軸向力。為了能比較準(zhǔn)確地測(cè)量出葉輪承受的軸向力，不僅要解決高速轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的影響，還要想辦法保證測(cè)力過(guò)程中葉輪的位置始終固定，即圖1中L1和L2保持固定值（在同一次測(cè)試中固定）且大于0，使葉輪組件受到的軸向力部分或全部作用在固定端面軸承（左）或固定端面軸承（右）上，從而保證測(cè)試的安全可靠。

基于上述思路，設(shè)計(jì)了燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試系統(tǒng)原理（圖2）。電子控制器根據(jù)測(cè)控上位機(jī)的給定信號(hào)，控制作動(dòng)筒位置，當(dāng)葉輪所受軸向力F發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致葉輪沿軸向產(chǎn)生位移的信號(hào)通過(guò)線位移傳感器（linear variable displacement transducer，LVDT）傳遞給電子控制器，電子控制器根據(jù)LVDT反饋的信號(hào)，控制作動(dòng)筒內(nèi)部燃油壓力，實(shí)現(xiàn)F與作動(dòng)筒內(nèi)部液壓力平衡，通過(guò)計(jì)算作動(dòng)筒內(nèi)部燃油壓力即可算出葉輪軸向力的大小。

1.2" 葉輪軸向力測(cè)試系統(tǒng)

基于葉輪軸向力測(cè)試原理，以某型燃油離心泵為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了滿足燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)（圖3）。為了便于軸向力測(cè)試，在離心泵的蝸殼（圖1）的右端加工了臺(tái)階孔，分別與連接套筒的大外圓和小外圓配合（間隙配合），保證連接套筒相對(duì)于燃油離心泵進(jìn)口殼體可以進(jìn)行軸向移動(dòng)；深溝球軸承裝在連接套筒內(nèi)，用孔用彈性擋圈限制其相對(duì)于連接套筒的軸向移動(dòng)；止動(dòng)座和深溝球軸承依次裝在傳動(dòng)軸右端，并用壓緊螺釘壓緊；支撐桿借用離心泵蝸殼上的螺樁固定在產(chǎn)品上，用于將作動(dòng)筒同心地安裝在進(jìn)口殼體后部。在葉輪組件和連接套筒之間通過(guò)深溝球軸承過(guò)渡，傳動(dòng)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)而連接套筒可以不轉(zhuǎn)動(dòng)，解決了傳動(dòng)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)測(cè)力的影響。葉輪軸向位置控制由系統(tǒng)在工作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)。

作動(dòng)筒活塞桿直徑為dA（mm）、活塞直徑為dB（mm）。設(shè)燃油離心泵工作過(guò)程中葉輪受到的軸向力方向向右，大小為F（N）；作動(dòng)筒有桿腔燃油壓力為PA（MPa），無(wú)桿腔燃油壓力為PB（MPa）。不考慮作動(dòng)筒活塞、活塞桿受到的摩擦力，則活塞（活塞桿）受力平衡方程為

F+πd2B-d2APA4=πd2BPB4

整理得

F=πd2B4PB-PA-πd2A4PA

如果F＞0，葉輪受到的軸向力向右；如果F＜0，葉輪受到的軸向力向左。

電子控制器由測(cè)控下位機(jī)（電控器）、測(cè)控上位機(jī)（電腦主機(jī)、顯示器）組成，電控器將采集到的LVDT傳感器差比和換算成數(shù)碼值，控制通道的給定和反饋均使用數(shù)碼值。電子控制器可以給定作動(dòng)筒的位置對(duì)應(yīng)的數(shù)碼值，通過(guò)控制電液伺服閥驅(qū)動(dòng)作動(dòng)筒工作，使其位置到達(dá)給定位置，并根據(jù)位置閉環(huán)保證作動(dòng)筒在給定位置。

1.3" 葉輪軸向力測(cè)試試驗(yàn)

1.3.1" 校準(zhǔn)試驗(yàn)

為了確保設(shè)計(jì)研究的測(cè)試系統(tǒng)可以安全、穩(wěn)定地完成燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試，在開展燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試前，對(duì)所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)試驗(yàn)，其校準(zhǔn)試驗(yàn)原理如圖5所示。在測(cè)試系統(tǒng)左端施加力F，監(jiān)測(cè)千分表變化及測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試值Ft。

從試驗(yàn)情況看，無(wú)論外部作用力F和電液伺服閥進(jìn)口壓力PJ如何變化，千分表指針擺動(dòng)量都在0～0.03mm范圍內(nèi)，位置變化遠(yuǎn)小于燃油離心泵葉輪允許的軸向竄動(dòng)量。其校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。由圖可知，測(cè)量值Ft與施加力F跟隨性較好，可以及時(shí)穩(wěn)定的完成測(cè)量。校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，研究的測(cè)試技術(shù)測(cè)量最大誤差約為3%。

綜上所述，研究的測(cè)試技術(shù)在施加力F與電液伺服閥工作壓力變化時(shí)造成的軸向竄動(dòng)量較小，滿足燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試時(shí)不影響燃油離心泵葉輪軸向間隙的要求；測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試值Ft與施加力F跟隨性較好，可以及時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量出施加力F的大小，響應(yīng)速度可以滿足燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試需求；測(cè)量誤差較小，可以滿足燃油離心泵葉輪軸向力優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的精度要求。故該技術(shù)可以用于燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試。

1.3.2" 燃油離心泵葉輪軸力測(cè)試

根據(jù)燃油離心泵試驗(yàn)原理（圖7），將燃油離心泵安裝在專用試驗(yàn)臺(tái)（圖8），具體試驗(yàn)步驟如下。

a）確定葉輪工作時(shí)的軸向位置：將作動(dòng)筒有桿腔和無(wú)桿腔接頭擰開，電子控制器上電，向左拉動(dòng)連接套筒至最左端，此時(shí)傳動(dòng)軸大端面與固定端面軸承（左）貼合（圖1中L1=0），記錄此時(shí)電子控制器上顯示的位置反饋GBit，L值；向右推動(dòng)連接套筒至最右端，此時(shí)浮動(dòng)端面軸承（右）的右端面與固定端面軸承（右）的左端面頂靠（圖1中L2=0），記錄此時(shí)電子控制器上顯示的位置反饋GBit，R值。將作動(dòng)筒有桿腔和無(wú)桿腔接頭重新接好，后續(xù)使用中不改變控制器軟、硬件以及圖7所示的任何部位，將（

GBit，L+GBit，R

）/2所得到的Bit值確定為葉輪在工作中的軸向位置GBit。

b）電子控制器上電，并將GBit值作為給定值輸入電子控制器。

c）向電液伺服閥燃油進(jìn)口供給壓力為PJ的燃油。

d）按圖9施加燃油離心泵載荷，葉輪軸向力的大小通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和顯示。圖10為葉輪優(yōu)化改進(jìn)前所測(cè)量得的葉輪軸向力。圖11為葉輪優(yōu)化改進(jìn)后所測(cè)量得的葉輪軸向力。

2" 測(cè)試結(jié)果分析

2.1" 葉輪優(yōu)化前

燃油離心泵葉輪優(yōu)化前，在驗(yàn)證過(guò)程中止推軸承異常磨損（圖12）。

通過(guò)葉輪軸向力測(cè)試結(jié)果（圖10）可知，燃油離心泵工作過(guò)程中葉輪承載的軸向力最大可達(dá)到4045N。通過(guò)計(jì)算分析，在該工況下，燃油離心泵止推軸承承載的PV約為125MPa·m/s，遠(yuǎn)大于材料許用［PV］=85MPa·m/s，故造成燃油離心泵止推軸承異常磨損。

2.2" 葉輪優(yōu)化后

為了解決燃油離心泵止推軸承異常磨損問(wèn)題，本研究根據(jù)測(cè)試結(jié)果、葉輪軸向力平衡設(shè)計(jì)原理，對(duì)葉輪軸向力平衡孔大小、位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)葉輪結(jié)構(gòu)后測(cè)試燃油離心泵葉輪軸向力為

1137N（圖11），通過(guò)計(jì)算分析，在相同工況下，燃油離心泵止推軸承承載的PV約30MPa·m/s，遠(yuǎn)小于材料許用［PV］=85MPa·m/s，故葉輪優(yōu)化改進(jìn)可以有效降低燃油離心泵葉輪軸向力，同時(shí)提高產(chǎn)品可靠性。

2.3" 修正仿真模型

本研究使用燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試結(jié)果對(duì)燃油離心泵流體仿真模型間隙、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行修正，修正后使用PumpLinx軟件對(duì)燃油離心泵葉輪軸向力進(jìn)行仿真，仿真邊界條件如圖13所示，仿真結(jié)果如表2所示。

由數(shù)據(jù)可知，使用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)燃油離心泵仿真模型進(jìn)行修正后，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的誤差大幅降低，提升了仿真的置信度。

3" 結(jié)" 論

1）所研究的葉輪軸向力測(cè)試技術(shù)通過(guò)校準(zhǔn)結(jié)果可知，該技術(shù)測(cè)試精度高且可以及時(shí)穩(wěn)定地反饋所施加外力的大小，滿足燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試對(duì)測(cè)試精度、響應(yīng)的需求。

2）所研究的葉輪軸向力測(cè)試技術(shù)已完成某型燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中燃油離心泵流量及增壓等性能與未安裝葉輪軸向力測(cè)試系統(tǒng)前相當(dāng)，對(duì)燃油離心泵性能影響較小；通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，該測(cè)試技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試，為燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試技術(shù)發(fā)展提供新技術(shù)、新方法。

3）利用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)燃油離心泵仿真模型進(jìn)行了修正，通過(guò)修正前后仿真數(shù)據(jù)可知，修正后的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果接近，故本測(cè)試技術(shù)可以為燃油離心泵葉輪軸向力仿真模型修正提供參考，提升仿真置信度。

4）所研究的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、適用范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)，可以推廣應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)燃油離心泵葉輪軸向力測(cè)試或其他力的測(cè)試試驗(yàn)中。

參考文獻(xiàn)：

［1］" KOVATS A.Pumps，ventilaters comperssures［M］.Paris：Dunod，1936.

［2］" KIM P，BAE S，SEOK J.Resonant behaviors of a nonlinear cantilever beam with tip mass subject to an axial force and electrostatic excitation［J］.International journal of mechanical sciences，2012，64（1）：232-257.

［3］" CHE X S，GAO Y F，XU H.Simulation design and realization of axial force measurement sensor of pump［C］//2009 9th International Conference on Electronic Measurement amp; Instruments.Piscataway，NJ，USA：IEEE，2009：959-962.

［4］" 劉在倫，蘆維強(qiáng)，趙偉國(guó)，等.離心泵平衡孔和背葉片對(duì)軸向力特性影響［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2019，37（10）：834-840.

LIU Zailun，LU Weiqiang，ZHAO Weiguo，et al.Effect of balance holes and back blades on axial thrust of centrifugal pump［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering，2019，37（10）：834-840（in Chinese）.

［5］" 李景悅，嚴(yán)敬，賴喜德，等.離心葉輪平衡機(jī)構(gòu)軸向力的計(jì)算與分析［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，34（3）：73-76.

LI Jingyue，YAN Jing，LAI Xide，et al.Calculation and analysis of axial thrust due to balance mechanics of centrifugal impellers［J］.Journal of Xihua University（natural science edition），2015，34（3）：73-76（in Chinese）.

［6］" 牟介剛，汪慧，蘇苗印，等.葉輪背葉片外徑對(duì)平衡軸向力性能影響的研究與探討［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2012（3）：66-69.

MU Jiegang，WANG Hui，SU Miaoyin，et al.Numerical simulation and test research of centrifugal pump with outer diameter of back blade on axial force balance［J］.Chinese agricultural mechanization，2012（3）：66-69（in Chinese）.

［7］" 吳海燕.離心泵軸向力平衡方法選用分析［J］.科技視界，2015（16）：65-66.

WU Haiyan.Selection and analysis of axial force balance method for centrifugal pump［J］.Science amp; technology vision，2015（16）：65-66（in Chinese）.

［8］" 劉在倫，王東偉，侯祎華，等.離心泵泵腔和平衡腔液體壓力試驗(yàn)與計(jì)算［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（8）：43-47.

LIU Zailun，WANG Dongwei，HOU Yihua，et al.Experiment and calculation of fluid pressure in pump chamber and balance cavity of centrifugal pump［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47（8）：43-47（in Chinese）.

［9］" 成心德.葉片式泵通風(fēng)機(jī)·壓縮機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［10］陳乃祥，吳玉林.離心泵［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［11］張克危.流體機(jī)械原理：下冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［12］陸敏恂，李萬(wàn)莉.流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006.

［13］施衛(wèi)東，李啟鋒，陸偉剛，等.基于CFD的離心泵軸向力計(jì)算與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（1）：60-63.

SHI Weidong，LI Qifeng，LU Weigang，et al.Estimation and experiment of axial thrust in centrifugal pump based on CFD［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2009，40（1）：60-63（in Chinese）.

［14］關(guān)醒凡.泵的理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

（編輯" 李坤璐）