航空燃油離心泵增壓設計及仿真

　　摘要：為滿足新型航空發動機燃油離心泵增壓增效的要求,首先,對現用結構航空燃油離心泵進行流場模擬分析并將模擬分析結果與產品實際試驗數據進行對比,流場模擬數據與實際試驗值吻合度較高,證明了仿真分析方法的正確性;其次,利用相似換算法得出航空燃油離心泵增壓方法,對離心泵核心部件葉輪進行改進和流場仿真分析,改進后的燃油離心泵雖能滿足增壓要求但產品效率降低;最后,采用葉片輕量化減薄葉片的方法提高了燃油離心泵效率,保證航空燃油離心泵在增壓的同時達到增效的目的。改進設計方法為后期燃油離心泵葉輪設計提供有效的技術參考。

　　本文源自液壓與氣動,2020(11):39-44.《液壓與氣動》雜志是國內外公開發行的中央級技術刊物，是機械、儀表類學科的全國中文核心期刊，是液、氣、密行業唯一評選進入"中國期刊方陣"的雜志。現已進入《中國學術期刊(光盤版)》和萬方數據資源系統。

　　航空發動機燃油泵主要采用的結構形式包括離心泵、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、工作可靠性高等優點,在航空發動機燃油系統中的應用日益廣泛。歐美等發達國家新一代航空發動機都趨向于使用離心泵作為發動機燃油泵,例如美國F-22猛禽戰斗機的發動機F119-PW-100就采用了離心泵作為航空燃油泵。國內現役或在研型號航空發動機設計過程中,也越來越多的采用離心泵作為航空燃油泵,尤其大流量、高轉速、高性能、高推比航空發動機燃油泵絕大部分均采用離心泵進行設計。

　　隨著新型航空發動機技術要求的不斷提高,某現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行改進,以滿足離心泵新的提壓增效要求[1,2,3]。

　　1、離心泵流場模擬與分析

　　1.1 增壓技術要求

　　某航空燃油離心泵現有性能無法滿足新增壓指標要求,需進行提壓增效設計,現有指標與新指標具體要求見表1。

　　燃油離心泵屬于高轉速、大流量離心泵。葉輪為開式葉輪,葉輪外徑90mm,葉片數5,現用葉輪如圖1所示。

　　圖1葉輪

　　1.2 流場仿真分析

　　近年來,計算流體力學(CFD)技術已經廣泛運用于泵的設計和分析計算中。此次采用PumpLinx數值模擬方法對燃油離心泵內流場進行模擬。采用UG三維建模軟件對燃油離心泵進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]。在網格劃分中,設置最小網格為0.001,最大網格為0.025,即可得到高精度的笛卡爾網格,流體仿真模型的網格數量為255202。網格劃分后的幾何模型如圖3所示。

　　航空離心泵的工作介質為航空燃油,流體參數和邊界條件的設置如表2所示。

　　圖2過流部件的流道示意圖

　　圖3網格劃分后模型

　　通過軟件運算,迭代求解,設定計算迭代步數為3000步,設置監控渦殼出口壓力,當出口區域壓力穩定時視為收斂[5,6]。現有結構燃油離心泵出口壓力仿真結果如圖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8.4MPa、功率197kW。

　　1.3 仿真分析結果驗證

　　對比分析不同流量下的20組燃油離心泵實際測試數據與仿真數據,結果如圖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

　　模擬數值與試驗數據在各個流量工況下趨勢基本相同。各個流量下出口壓力的誤差為1%,功率誤差為5%,數值模擬能夠精確地預測航空燃油離心泵性能,其仿真結果可作為后續改進燃油離心泵的依據。

　　2、離心泵增壓設計

　　2.1 離心泵性能計算

　　揚程:

　　H=(p2ρg×106+v222g)−(p1ρg×106+v212g)         (1)Η=(p2ρg×106+v222g)-(p1ρg×106+v122g)         (1)

　　式中,p1——離心泵進口壓力,MPa

　　p2——離心泵出口壓力,MPa

　　ρ——密度,kg/m3

　　g——重力加速度,m/s2

　　v1——離心泵進口流速,m/s

　　v2——離心泵出口流速,m/s

　　泵的比轉速:

　　ns=3.65nq√H3/4         (2)ns=3.65nqΗ3/4         (2)

　　式中,n——轉速,r/min

　　q——流量,m3/s

　　H——揚程,m

　　現有技術指標和新技術指標下揚程和比轉速的計算結果如表3所示。

　　2.2 葉輪增壓設計

　　燃油離心泵屬于低比轉速離心泵。由葉輪切割定理可知,低比轉速離心泵揚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現增加離心泵揚程(即提高出口壓力)的目的[8],如式(3)所示。

　　HH′=(D2D′2)2         (3)ΗΗ′=(D2D′2)2         (3)

　　式中,H′——改進后的揚程,m

　　D2——葉輪外徑,mm

　　D′2——改進后的葉輪外徑,mm

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

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

　　圖9葉輪外徑93mm出口壓力云圖

　　圖10葉輪外徑93mm出口壓力曲線

　　圖11葉輪外徑93mm功率曲線

　　葉輪外徑增加后,離心泵出口壓力滿足新指標增壓要求,但產品功率超出技術指標要求,還需進一步改進設計。

　　2.3 葉輪增效設計

　　離心泵效率與葉輪幾何結構有密切關聯。增加離心泵效率可減小輸入功率。修改以下5個方面的幾何參數可以有效的增加離心泵效率[7,8,9]。

　　(1)改變葉片的彎曲形狀;

　　(2)減少葉輪厚度和葉片數量;

　　(3)改變葉片進出口安放角;

　　(4)采用長短葉片相間的形式;

　　(5)選擇葉片包角。

　　其中,葉片數量越少,厚度越薄,對流體的排擠效應越小,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。對葉輪葉片兩側均進行裁剪,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

　　葉輪減薄后進行流場仿真分析,離心泵出口壓力仿真結果如圖14、圖15所示,功率仿真結果如圖16所示。可以看出,收斂條件下的出口壓力為8.8MPa,功率為196kW。

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

　　2.4 葉輪強度仿真

　　葉輪改進完成后,對葉輪進行強度仿真分析,確定葉輪是否滿足強度要求。葉輪材料為TC4,其密度ρ=4800kg/m3,彈性模量E=113GPa,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ANSYSMeshing軟件進行網格劃分時,采用四面體非結構化網格,利用局部尺寸Sizing功能進行尺寸控制,逐漸加密網格進行數值模擬計算,當局部尺寸Sizing值設置為0.5mm時,即使再加密網格,模擬結果應力值無明顯變化,仿真結果滿足網格無關性原則[10,11,12]。網格模型如圖17所示,節點總數為267517,網格總數量為178110。

　　網格劃分完成后,對葉輪圓柱面施加Displacement約束;離心泵在運轉過程中,施加轉速RotationalVelocity約束,轉速設置為27000r/min;葉輪葉片施加Pressure載荷,力值設置為9MPa(大于實際受力)并進行計算,輸出等效應力(VonMises強度理論)分布云圖如圖18所示。

　　圖17葉輪有限元模型

　　圖18平均等效應力分布云圖

　　應力最大部位在葉片中間部位,最大應力值為199.67MPa。鈦合金TC4材料的屈服強度為860MPa,所受應力遠遠小于許用應力,安全系數為4.3,葉輪能夠滿足強度要求。

　　3、結論

　　針對某航空燃油離心泵提壓增效新要求,采用PumpLinx數值模擬對離心泵流場進行仿真驗證,出口壓力誤差為1%,功率誤差為5%,仿真結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。利用相似換算法與減薄葉片相結合的方法,對葉輪進行改進,改進后的離心泵增壓能力和功率均滿足新指標要求。和傳統分析方法相比,基于內流場仿真的航空增壓離心泵分析方法,其性能分析結果可信度較高,有助于減少試驗成本,縮短驗證周期,有很高的工程實用價值。

　　參考文獻：

　　[1]樊思齊.航空發動機控制[M].西安:西北工業大學出版社,2008:24-27.

　　[4]單建華,朱亮亮.低比轉速離心泵三維建模與數值模擬[J].安徽工業大學學報:自然科學版,2016,33(1):64-68,75.

　　[5]王震,聶松林,尹方龍,等.基于PumpLinx純水軸向柱塞泵配流盤卸荷槽結構的仿真分析[J].液壓與氣動,2016,(2):11-16.

　　[6]申文強,聶松林,尹方龍,等.一種新型低速大扭矩水液壓馬達結構設計及仿真分析[J].液壓與氣動,2019,(6):17-21.

　　[7]齊鳳蓮,劉冠誠,HORIAA,等.葉輪不同葉片對離心泵內流道流場的影響[J].中國工程機械學報,2018,16(5):382-388.

　　[8]高濤.提高離心泵綜合效率的主要措施[J].機械工程師,2019,(1):119-121,124.

　　[9]王燕燕,趙偉國,韓向東,等.基于葉片包角和出口安放角對葉輪的改進設計[J].排灌機械工程學報,2019,37(7):574-579.

　　[10]于立生,張立華.基于ANSYS的隔膜室蓋強度分析與結構改進措施[J].化工裝備技術,2017,38(4):12-14.

　　[11]張洪偉,高相勝,張慶余.ANSYS非線性有限元分析方法及范例應用[M].北京:中國水利水電出版社,2013.

　　[12]劉江,等.ANSYSWorkbench14.5機械仿真實例詳解[M].北京:機械工業出版社,2015.