航空燃油離心泵內流特性分析

唐 慶，單金光，周振華，周 龍，萬 方

(1.中國航發貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴州 貴陽 550009；2.空裝駐貴陽地區軍事代表室，貴州 貴陽 550009)

引言

航空燃油泵是現代飛機發動機的重要部件，主要作用是輸送燃油或進行增壓。航空燃油泵有多種結構形式，包括齒輪泵、柱塞泵和離心泵等[1-4]。相比于齒輪泵，離心泵燃油溫升更小，流量調整范圍更大；相比于柱塞泵，離心泵可靠性更高，質量功率比更小；相比于旋板泵，離心泵使用壽命更長，轉速更高。因此，隨著航空技術的發展，離心泵越來越多地被用作高性能航空發動機燃油泵。離心泵的工作性能對整個航空發動機控制系統的運行起到關鍵的作用，其性能則與內部流動狀態有密切關系。與普通離心泵相比，燃油離心泵工質為航空燃油，并且具有高轉速、高揚程、小尺寸和輕量化的特點，因此對燃油離心泵的內流場特性進行研究，可為相關設計工作提供更充分和有針對性的理論支撐，具有重要的實際意義。

離心泵內流動屬于復雜的非定常三維湍流流動，理論分析和實驗研究較為困難，多數研究主要采用數值模擬方法。宋素芳等[5]采用計算流體力學方法對離心泵內部的壓力、速度分布規律和氣蝕情況進行了數值模擬。莊法坤等[6]對不同工況下動靜雙層蝸殼離心泵內流壓力場進行數值模擬，分析了動靜干涉的影響。敏政等[7]在不同工況下應用DDES湍流模型對離心泵蝸殼內部渦量場進行了數值模擬。蘇博等[8]應用玻爾茲曼方法對離心泵內部流動進行數值計算，分析了不同情況下渦量、壓力和湍流強度等物理量的分布規律。崔寶玲等[9]使用雷諾平均方程和SA模型對低比轉數離心泵內部流動進行數值模擬，研究了分流葉片對泵的內外特性的影響。顧延東等[10]研究了調速對低比轉數離心泵外特性和內流場的影響。

本研究在不同轉速和流量下，針對某型航空燃油離心泵內流特性，基于Fluent軟件開展數值模擬研究。

1 數學模型

1.1 幾何模型

本研究的航空燃油離心泵的幾何模型由輸入管道、葉輪和蝸殼組成，如圖1所示，葉輪幾何模型如圖2所示，入口直徑為80 mm，出口直徑為50 mm，葉輪直徑為170 mm。

圖1 離心泵幾何模型Fig.1 Geometric model of centrifugal pump

圖2 葉輪幾何模型Fig.2 Geometric model of impeller

1.2 網格生成

對于離心泵內部非定常流動的模擬，可以采用滑移網格技術或動網格技術。與動網格相比，滑移網格不需要在運動過程中重建網格，計算量更小且穩定性更好[11]，因此本研究采用滑移網格技術。把入口管道、葉輪和蝸殼所在區域各自作為獨立的計算域，在每個計算域內生成四面體非結構網格，如圖3所示。葉輪所在計算域為動域，設置為滑移網格，運動方式為繞葉輪軸線作定軸轉動。

圖3 網格示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid

1.3 流動控制方程與湍流模型

離心泵內部流動為非定常不可壓縮黏性流動，且為湍流，采用雷諾平均方程為控制方程[12]：

(1)

(2)

式中，ρ—— 密度

p—— 壓力

ui—— 速度分量

雷諾平均方程的雷諾應力項需要引入湍流模型進行封閉求解，本研究采用k-ε湍流模型[13-14]，其中湍動能k和耗散率ε的輸運方程為：

Gk-ρε

(3)

(4)

式中，μ—— 動力黏度

μt—— 湍動黏度

Gk—— 平均速度梯度引起的湍動能產生項

σk,σε—— 湍動能和耗散率對應的普朗數，σk=1.0，σε=1.3

C1ε，C2ε—— 經驗系數，C1ε=1.44，C2ε=1.92。

1.4 邊界條件與計算方法

離心泵入口邊界條件為壓力入口，壓力值為0.1 MPa；出口邊界條件為體積流量出口；葉片設置為移動壁面，與滑移網格區域保持相對靜止；其他壁面設置為靜止無滑移壁面；各計算域交界面設置為interface。

在Fluent軟件中選取壓力基求解器，采用一階迎風格式進行空間離散，采用一階隱式格式進行時間離散。使用SIMPLE算法進行迭代，時間步長為1.25×10-4s。流體區域材料為航空煤油，密度為780 kg·m-3，動力黏度為2.5×10-3kg·(m·s)-1

2 計算結果分析

在轉速保持3000 r/min的情況下，改變出口邊界條件的體積流量，分別對流量Q為30，40，50，60 m3/h 4種工況進行計算，得到相關物理量的分布。

以葉輪為動參考系，作出相對速度vr分布，如圖4所示。隨著流量的增大，葉輪中流體的相對速度大小逐漸增加，原因是葉輪輸出的體積流量等于相對速度穿過葉輪出口的通量，故相對速度大小與流量大小正相關。

由圖5可知，隨著流量的增大，葉輪邊緣出流的絕對速度v逐漸減小，其原因可以通過如圖6所示的速度合成矢量圖說明。選取葉輪邊緣上某點，葉輪旋轉導致的牽連速度矢量為ve，小流量下的相對速度和絕對速度分別為vr1和v1，大流量下則為vr2和v2。牽連速度方向與葉輪周線相切，相對速度方向近似與葉稍相切。由于轉速較高，牽連速度大小約為相對速度大小的2～5倍。隨著流量的增大，由圖4可知，相對速度逐漸提高，在圖6中根據平行四邊形法則合成后，絕對速度矢量長度減小，因此葉輪邊緣速度隨著流量增大而降低。

圖4 不同流量下的葉輪截面相對速度分布Fig.4 Relative velocity distribution on impeller section under different flow rates

圖5 不同流量下的蝸殼截面絕對速度分布Fig.5 Absolute velocity distribution on volute section under different flow rates

圖6 葉輪邊緣速度合成關系圖Fig.6 Diagram of velocity composition at impeller edge

由圖7可知，泵內靜壓從中心到邊緣逐漸升高，原因是葉輪做功，同時可以看出，隨著流量增大，蝸殼內靜壓明顯降低，原因是隨著流量的增大，葉輪邊緣出流絕對速度逐漸降低，如圖5所示；同時流量較大時，蝸殼出口的動壓更大，因此更少動能被轉化為壓能，導致靜壓較低。

圖7 不同流量下蝸殼和葉輪截面靜壓分布Fig.7 Static pressure distribution on volute and impeller section under different flow rates

由圖7可以看出，葉根附近存在局部低壓區。以流量30 m3/h時工況為例進一步分析，圖8和圖9為該工況下葉根附近靜壓分布和葉根附近相對流線圖。可以看出，局部低壓區產生的原因是流體繞過葉根時，流道先收縮后擴張，導致流速先急劇提高然后逐漸降低。在收縮加速段時，流體的一部分壓能轉化為動能，形成局部低壓區域。因此，通過改進幾何結構設計來改善流動情況，減少低壓區的面積，可降低氣蝕發生的幾率。

圖8 葉根附近靜壓分布(Q=30 m3/h)Fig.8 Static pressure distribution near leaf root (Q=30 m3/h)

圖9 葉根附近相對流線圖(Q=30 m3/h)Fig.9 Relative streamline diagram near leaf root (Q=30 m3/h)

在流量保持50 m3/h的情況下，改變滑移網格區域的旋轉角速度，分別對轉速為2000，3000，4000，5000 r/min 4種工況進行計算，得到相對速度的分布，如圖10所示。

由圖10可知，隨著轉速的提高，葉輪附近大部分區域相對速度變化不大，但葉根附近出現一個局部高流速區域并逐漸擴大，由圖8和圖9可知，此區域也是局部低壓區。

圖10 不同轉速下的葉輪截面相對速度分布Fig.10 Relative velocity distribution on impeller section at different rotational speeds

由圖11知，隨著轉速的提高，蝸殼中葉輪邊緣附近的速度明顯提高，主要原因是轉速的增大導致牽連速度提升。

由圖12可知，泵內靜壓隨著轉速提高而升高，尤其是葉輪邊緣附近和蝸殼中。葉輪中靜壓的升高主要原因是轉速的提高導致科氏力增大；蝸殼中靜壓升高的原因除葉輪邊緣出流靜壓隨轉速升高外，由圖11知，其動能也隨轉速增加，而在流量相同的情況下，不同轉速的泵輸出的動壓相同，故增加的動能最終轉化為壓能，使靜壓進一步升高。

圖11 不同轉速下的蝸殼截面絕對速度分布Fig.11 Absolute velocity distribution on volute section under different rotational speeds

圖12 不同轉速下的葉輪和蝸殼截面靜壓分布Fig.12 Static pressure distribution on impeller and volute section at different rotational speeds

保持進口壓力不變，進一步對更多不同轉速和流量的工況進行計算，得到不同轉速下泵的壓力流量曲線，如圖13所示。可以看出，轉速一定的情況下，隨著流量的增加，泵輸出的壓力逐漸降低；流量一定的情況下，隨著轉速的提高，泵輸出的壓力逐漸升高，當轉速較低時，離心泵無法在大流量下工作。

圖13 不同轉速下的壓力流量曲線Fig.13 Pressure-flow curves at different rotational speeds

3 結論

(1) 離心泵內速度和壓力分布呈現從葉輪中心到邊緣增加的趨勢，葉根附近可能因局部流速較高導致低壓區的出現，在設計工作中，通過改善幾何形狀設計，可以使流道平緩變化，從而縮小低壓區的面積并降低氣蝕的概率；

(2) 隨著流量的增大，離心泵中壓力降低，葉輪中相對速度大小增加，隨著轉速的提高，離心泵中壓力升高，葉輪附近大部分區域相對速度變化不大，但葉根附近出現高速低壓區并逐漸擴大，在設計工作中，增加轉速時需要考慮低壓區的擴大對葉輪載荷和氣蝕的影響，從而保證產品的壽命和可靠性；

(3) 出口壓力和轉速一定的情況下，泵輸出的靜壓隨流量的增大而減小，出口壓力和流量一定的情況下，泵輸出的靜壓隨轉速提高而減小，轉速較低時，無法實現大流量運行。