航空燃油离心泵内流特性分析

2021-08-18单金光周振华

液压与气动 2021年8期

唐庆，单金光，周振华，周龙，万方

(1.中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司，贵州贵阳 550009；2.空装驻贵阳地区军事代表室，贵州贵阳 550009)

引言

航空燃油泵是现代飞机发动机的重要部件，主要作用是输送燃油或进行增压。航空燃油泵有多种结构形式，包括齿轮泵、柱塞泵和离心泵等[1-4]。相比于齿轮泵，离心泵燃油温升更小，流量调整范围更大；相比于柱塞泵，离心泵可靠性更高，质量功率比更小；相比于旋板泵，离心泵使用寿命更长，转速更高。因此，随着航空技术的发展，离心泵越来越多地被用作高性能航空发动机燃油泵。离心泵的工作性能对整个航空发动机控制系统的运行起到关键的作用，其性能则与内部流动状态有密切关系。与普通离心泵相比，燃油离心泵工质为航空燃油，并且具有高转速、高扬程、小尺寸和轻量化的特点，因此对燃油离心泵的内流场特性进行研究，可为相关设计工作提供更充分和有针对性的理论支撑，具有重要的实际意义。

离心泵内流动属于复杂的非定常三维湍流流动，理论分析和实验研究较为困难，多数研究主要采用数值模拟方法。宋素芳等[5]采用计算流体力学方法对离心泵内部的压力、速度分布规律和气蚀情况进行了数值模拟。庄法坤等[6]对不同工况下动静双层蜗壳离心泵内流压力场进行数值模拟，分析了动静干涉的影响。敏政等[7]在不同工况下应用DDES湍流模型对离心泵蜗壳内部涡量场进行了数值模拟。苏博等[8]应用玻尔兹曼方法对离心泵内部流动进行数值计算，分析了不同情况下涡量、压力和湍流强度等物理量的分布规律。崔宝玲等[9]使用雷诺平均方程和SA模型对低比转数离心泵内部流动进行数值模拟，研究了分流叶片对泵的内外特性的影响。顾延东等[10]研究了调速对低比转数离心泵外特性和内流场的影响。

本研究在不同转速和流量下，针对某型航空燃油离心泵内流特性，基于Fluent软件开展数值模拟研究。

1 数学模型

1.1 几何模型

本研究的航空燃油离心泵的几何模型由输入管道、叶轮和蜗壳组成，如图1所示，叶轮几何模型如图2所示，入口直径为80 mm，出口直径为50 mm，叶轮直径为170 mm。

图1 离心泵几何模型Fig.1 Geometric model of centrifugal pump

图2 叶轮几何模型Fig.2 Geometric model of impeller

1.2 网格生成

对于离心泵内部非定常流动的模拟，可以采用滑移网格技术或动网格技术。与动网格相比，滑移网格不需要在运动过程中重建网格，计算量更小且稳定性更好[11]，因此本研究采用滑移网格技术。把入口管道、叶轮和蜗壳所在区域各自作为独立的计算域，在每个计算域内生成四面体非结构网格，如图3所示。叶轮所在计算域为动域，设置为滑移网格，运动方式为绕叶轮轴线作定轴转动。

图3 网格示意图Fig.3 Schematic diagram of grid

1.3 流动控制方程与湍流模型

离心泵内部流动为非定常不可压缩黏性流动，且为湍流，采用雷诺平均方程为控制方程[12]：

(1)

(2)

式中，ρ—— 密度

p—— 压力

ui—— 速度分量

雷诺平均方程的雷诺应力项需要引入湍流模型进行封闭求解，本研究采用k-ε湍流模型[13-14]，其中湍动能k和耗散率ε的输运方程为：

Gk-ρε

(3)

(4)

式中，μ—— 动力黏度

μt—— 湍动黏度

Gk—— 平均速度梯度引起的湍动能产生项

σk,σε—— 湍动能和耗散率对应的普朗数，σk=1.0，σε=1.3

C1ε，C2ε—— 经验系数，C1ε=1.44，C2ε=1.92。

1.4 边界条件与计算方法

离心泵入口边界条件为压力入口，压力值为0.1 MPa；出口边界条件为体积流量出口；叶片设置为移动壁面，与滑移网格区域保持相对静止；其他壁面设置为静止无滑移壁面；各计算域交界面设置为interface。

在Fluent软件中选取压力基求解器，采用一阶迎风格式进行空间离散，采用一阶隐式格式进行时间离散。使用SIMPLE算法进行迭代，时间步长为1.25×10-4s。流体区域材料为航空煤油，密度为780 kg·m-3，动力黏度为2.5×10-3kg·(m·s)-1

2 计算结果分析

在转速保持3000 r/min的情况下，改变出口边界条件的体积流量，分别对流量Q为30，40，50，60 m3/h 4种工况进行计算，得到相关物理量的分布。

以叶轮为动参考系，作出相对速度vr分布，如图4所示。随着流量的增大，叶轮中流体的相对速度大小逐渐增加，原因是叶轮输出的体积流量等于相对速度穿过叶轮出口的通量，故相对速度大小与流量大小正相关。

由图5可知，随着流量的增大，叶轮边缘出流的绝对速度v逐渐减小，其原因可以通过如图6所示的速度合成矢量图说明。选取叶轮边缘上某点，叶轮旋转导致的牵连速度矢量为ve，小流量下的相对速度和绝对速度分别为vr1和v1，大流量下则为vr2和v2。牵连速度方向与叶轮周线相切，相对速度方向近似与叶稍相切。由于转速较高，牵连速度大小约为相对速度大小的2～5倍。随着流量的增大，由图4可知，相对速度逐渐提高，在图6中根据平行四边形法则合成后，绝对速度矢量长度减小，因此叶轮边缘速度随着流量增大而降低。

图4 不同流量下的叶轮截面相对速度分布Fig.4 Relative velocity distribution on impeller section under different flow rates

图5 不同流量下的蜗壳截面绝对速度分布Fig.5 Absolute velocity distribution on volute section under different flow rates

图6 叶轮边缘速度合成关系图Fig.6 Diagram of velocity composition at impeller edge

由图7可知，泵内静压从中心到边缘逐渐升高，原因是叶轮做功，同时可以看出，随着流量增大，蜗壳内静压明显降低，原因是随着流量的增大，叶轮边缘出流绝对速度逐渐降低，如图5所示；同时流量较大时，蜗壳出口的动压更大，因此更少动能被转化为压能，导致静压较低。

图7 不同流量下蜗壳和叶轮截面静压分布Fig.7 Static pressure distribution on volute and impeller section under different flow rates

由图7可以看出，叶根附近存在局部低压区。以流量30 m3/h时工况为例进一步分析，图8和图9为该工况下叶根附近静压分布和叶根附近相对流线图。可以看出，局部低压区产生的原因是流体绕过叶根时，流道先收缩后扩张，导致流速先急剧提高然后逐渐降低。在收缩加速段时，流体的一部分压能转化为动能，形成局部低压区域。因此，通过改进几何结构设计来改善流动情况，减少低压区的面积，可降低气蚀发生的几率。

图8 叶根附近静压分布(Q=30 m3/h)Fig.8 Static pressure distribution near leaf root (Q=30 m3/h)

图9 叶根附近相对流线图(Q=30 m3/h)Fig.9 Relative streamline diagram near leaf root (Q=30 m3/h)

在流量保持50 m3/h的情况下，改变滑移网格区域的旋转角速度，分别对转速为2000，3000，4000，5000 r/min 4种工况进行计算，得到相对速度的分布，如图10所示。

由图10可知，随着转速的提高，叶轮附近大部分区域相对速度变化不大，但叶根附近出现一个局部高流速区域并逐渐扩大，由图8和图9可知，此区域也是局部低压区。

图10 不同转速下的叶轮截面相对速度分布Fig.10 Relative velocity distribution on impeller section at different rotational speeds

由图11知，随着转速的提高，蜗壳中叶轮边缘附近的速度明显提高，主要原因是转速的增大导致牵连速度提升。

由图12可知，泵内静压随着转速提高而升高，尤其是叶轮边缘附近和蜗壳中。叶轮中静压的升高主要原因是转速的提高导致科氏力增大；蜗壳中静压升高的原因除叶轮边缘出流静压随转速升高外，由图11知，其动能也随转速增加，而在流量相同的情况下，不同转速的泵输出的动压相同，故增加的动能最终转化为压能，使静压进一步升高。