抗空化航空双端供油泵设计与数值预测

2021-06-15王维军谭向军黄巧平

流体机械 2021年5期

王维军，谭向军，黄巧平

（航空工业成都凯天电子股份有限公司，成都 610091）

0 引言

航空燃油泵是飞机燃油系统的主要附件，通常安装在飞机油箱内部，给发动机（发动机二级增压泵）进口提供所需流量和压力的燃油；或按规定的顺序传输油箱间燃油，以保证飞机重心变化符合规定要求。与其他行业泵有一些显著区别：高抗空化、结构轻量化、状态诊断与反馈、工况复杂、功重比高等。从功能方面可分为：供油泵［1-2］、启动泵、散热泵、输油泵、转输泵、应急放油泵和加力燃油泵［3-5］等。从结构形式可分为：离心式、容积式、射流式和旋涡式。

双端供油泵属于固定翼战斗机、无人机等燃油系统低压输油机电设备，是低压离心式燃油泵的一种。结构上具有双吸油口、单出油口、双泵并联式、浸没式安装等特点；性能上需满足大过载倒飞、额定-值班-加力等；供电有28 V直流低电压与270 V直流高电压2种；转速较高，一般7 000～15 000 r/min，供油平稳，脉动现象较弱；具有可浸燃油的湿式电机与滑动轴承［6］；另外具有故障报警、过热保护、防爆等功能。

双端供油泵原理如图1所示，采用双诱导轮+双离心叶轮组合、上下结构完全对称、270 V直流供电、直流无刷电机驱动。工作原理：双端供油泵接通270 V直流电源后，通过控制器输出信号给电机霍尔元件，直流无刷电机启动并驱动同轴的上、下叶轮高速旋转，燃油经过滤网进入上、下叶轮，被增压后进入上、下泵蜗室，将大部分动能转化为压能后汇聚在连通管从出口管道流出，供给发动机系统。

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

Parker Aerospace、Eaton Aerospace双端供油泵，主要装备机型有：Lockheed Martin F35隐身战斗机、Boeing A-160、Lockheed F-16、Northrop F-18、Sikorsky S-70、S-92、CH-148、H-92、UH-60、Hawk/T45等主流军机，具有结构紧凑、运行高效，满足反向飞行和负过载条件、高海拔和爬升速度高、防爆和热保护、免维护、全寿命周期成本低、可输送多种燃料及干运转等特点。

1 计算模型

1.1 双端供油泵工况点

最大流量为30 000 L/h（上、下叶轮流量比例1：1），增压大于200 kPa；零流量，增压不大于300 kPa；输送介质为RP-3航空煤油，密度为753 kg/m3，进口最小压力35 kPa。

1.2 设计要求

（1）双叶片匹配性高，上、下泵增压值相差不大于5%，需满足零流量点与最大流量点增压。

（2）上、下泵水力效率不低于70%。

1.3 设计要点

（1）上、下叶轮需考虑空化，采用前置诱导轮增压技术［7］。

（2）取最大流量作为设计流量，使得泵在设计流量运行时，增压达到设计要求的同时效率最高，能很好地满足航空发动机加力状态时供油需求［8-9］。

（3）双泵同轴转速的确定需满足压力与空化余量为前提取较高转速，可有效减小双端供油泵的体积与重量。

（4）设计过程需要增压换算成扬程来确定比转速。

水力模型设计过程如图2所示。

图2 水力模型设计过程Fig.2 Hydraulic model design process

1.4 主要性能参数

根据上述过程，确定单泵的主要设计参数：流量 15 000 L/h，增压 210 kPa，转速 7 250 r/min，比转速142；根据速度系数法及一体式诱导轮叶轮设计技术等确定上、下泵的主要水力参数见表1。

表1 上、下泵主要水力参数Tab.1 Main hydraulic parameters of upper and lower pumps

上、下叶轮三维模型如图3所示，坐标系（以转轴为Z轴建立柱坐标系，对应的曲线）为理论增压变化曲线。可以看出，诱导轮离心叶轮分体式设计与一体式设计的不同点有：（1）轴向长度，分体式大于一体式；（2）分体式增压不连续，在诱导轮出口与叶轮进口之间存在无增压区域，或在实际运行时叶轮进口处压力P3小于诱导轮出口压力P2，一体式设计后增压曲线延轴向线性单调增大。

图3 上、下叶轮三维模型Fig.3 Three-dimensional model of upper and lower impellers

根据表1建立上、下泵三维计算模型，如图4所示，进、出口适当延长以防止仿真计算过程中出现回流现象。

图4 上下泵三维计算模型Fig.4 Three-dimensional model of upper and lower pumps

2 数值计算方法与网格

双端供油泵内部流动为三维不可压缩流动，高度充分的湍流，采用RNG k-ε双方程湍流模型［11-12］进行定常单相求解，空化模型采用ZGB模型［13-14］。

本文设置进口边界条件为压力进口，出口边界条件为质量流量，固壁采用无滑移壁面，近壁区采用伸缩壁面函数法（Scalable Wall Functions），诱导轮与叶轮、叶轮与蜗壳动静交界面采用冻结转子法（Frozen Rotor）［15］，收敛精度为 10-5。空化模拟计算的初始为无空化收敛后的结果，通过改变进口压力使双端供油泵发生空化，液相采用Jet A Liquid，汽相采用Jet A，收敛精度与单相一致。

随着网格质量的提高，性能预测的误差将会逐渐减低，为了获得最经济的网格数和计算步长［16］。本文通过网格无关性原则确定了计算网格数，叶轮和蜗壳采用非结构四面体网格，叶片表面设置边界层，10层，层厚1 mm，比率1.2，泵进、出口延伸段采用六面体结构网格。双端供油泵计算网格数见表2。

表2 计算网格数Tab.2 Number of grids

3 结果分析

本文采用RNG k-ε双方程湍流模型数值计算了 2 500，5 000，7 500，10 000，12 500，15 000，17 500 L/h等7种工况下的内部流动。在此基础上计算了设计工况15 000 L/h下空化数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种不同空化流动。

定义空化数σ：

式中P∞——泵进口总压；

PV——饱和蒸汽压；

ρ ——密度；

U1——叶轮进口圆周速度。

3.1 Y+分析

Y+为第一层网格质心到壁面的无量纲距离，与速度、黏度、剪应力等有关系。Y+的值合理，表明第一层边界网格布置较为合理，近壁区网格影响数值计算的精度［17］。从图5可知，叶片表面的Y+值在0～68之间，网格设置合理可行。

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

3.2 单相数值预测

图6 示出上、下泵的外特性曲线（流量Q-增压ΔP，流量Q-效率η，流量Q-功率P），从图可看出：全流量范围区间，下泵的增压值高于上泵增压值，Q=17 500 L/h时增压值相差最大为7.579 kPa，3.854%，Q=12 500 L/h时增压值相差最小为2.355 kPa，0.993%，满足上、下泵设计时增压值相差5%的要求，双泵Q-ΔP曲线单调递减；当Q＜7 500 L/h时，上、下泵效率基本相等，当Q＞7 500 L/h时，下泵效率高于上泵，当Q＝12 500 L/h时，下泵效率84.19%，上泵效率80.7%，满足设计要求水力效率＞70%，当Q=10 000～17 500 L/h时双泵效率均大于78%，均有较宽的高效区间运行范围；全流量范围内，双泵功率曲线呈线性增大，未出现功率极值点，双泵消耗功率均不大于1 500 W，总消耗水功率不大于3 000 W。

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

图7示出 5 000，10 000，12 500 L/h 3种工况下的上、下泵Z=0截面上的静压云图，从图可以看出：在各工况条件下，上泵进口处低压区明显高于下泵，且上泵的最小压力大于下泵，小流量时蜗壳扩散段均出现了高压区，下泵蜗壳内的高压区大于上泵，但上泵的最大压力大于下泵，叶轮出口均呈现较强的尾迹区；随着流量的增加，上泵的最小压力呈逐渐减小趋势，而下泵的最小压力呈先减小后增大趋势，上泵的最大压力低于下泵，蜗壳内高压区呈环状均匀分布，当Q≥10 000 L/h时，双泵叶轮内部静压分布呈轴对称，此状态的叶轮水力效率也较高，下泵静压云图分布较优［18］。

图7 上、下泵静压云图Fig.7 Static pressure nephogram of upper and lower pumps

图8示出了 5 000，10 000，12 500 L/h 3 种工况下的上、下泵Z=0截面上的速度流线。当Q=5 000 L/h时，双泵叶轮内部靠近蜗壳第8断面的3个流道内出现了明显的轴向漩涡，随着流量的增大，这些轴向漩涡逐步减小并消失，设计工况下双泵速度流线分布光滑。

图8 上下泵速度流线Fig.8 Velocity streamlines of upper and lower pumps

3.3 空化性能预测

图9示出了15 000 L/h设计工况下上、下泵的空化数与增压之间的曲线。

图9 设计工况上下泵的空化数与增压Fig.9 Curves of cavitation number versus pressurization value of upper and lower pumps under design conditions

当空化数σ≥0.1时，增压降低不明显，上泵增压从219.9 kPa降低至215.4 kPa，降低了5.5 kPa，下泵增压从227 kPa降低至221.6 kPa，降低了5.4 kPa，为初生空化；当空化数σ＜0.1时，增压曲线出现了陡降，当空化数σ=0.013 4，双泵增压值均小95 kPa，为完全空化。

图10示出了空化数分别为σ=0.273 9，0.186 9，0.1，0.056，0.013 4时的诱导轮叶轮汽相分布。

图10 不同空化数下空泡诱导轮叶轮汽相云图Fig.10 Vapor phase nephogram of inducer and impeller under different cavitation numbers

从图可以看出：同一空化数下叶轮长叶片头部吸力面先出现明显空化区；当空化数σ≥0.186 9时空泡区仅在诱导轮和长叶片上出现，主叶片上未发现空泡区，对叶轮做功影响较小，外特性下降不明显；当空化数σ=0.1时，双泵主叶片出现了微小空泡区，此时增压略有下降，为初生空化；随着进口压力的下降，诱导轮与长叶片上的空泡区明显增大，空泡区逐步占据叶轮区，排挤液体使叶轮做功能力显著下降；上下叶轮的空化性能优于文献［8］的一体式诱导轮叶轮，本文设计的双端供油泵有显著的抗空化能力。