带诱导轮的离心式航空燃油泵空化特性分析*

罗 丹 王维军＊ 赵 鑫 谭向军 吴大转

（1.航空工业成都凯天电子股份有限公司；2.浙江大学能源工程学院）

0 引言

离心式航空燃油泵属于低压油泵[1]，主要用于为航空小型无人机、靶机、航天飞航导弹燃油系统提供一定流量和压力的燃油，输送介质包括RP-3 航煤、高密度烃等燃料。与普通离心泵相比，离心式航空燃油泵转速高（7000～15000r/min）、尺寸小、功重比高、运行工况复杂（全流量范围运行），在部分极限工况运行时会出现效率、扬程、功率等外特性的明显减小，严重时会出现高空断流、高空无法启动等现象，而其根本原因就是空化。空化已是制约其向更高转速、更小体积、更大功重比发展的主要矛盾[2]。

空化始终是水力机械领域研究的热点之一[3]，空化研究主要集中在清华大学[5]、北京理工大学[6]、浙江大学[7]、江苏大学[8-9]、中船重工702所[10]、加州理工[11]等科研机构。蒸汽型空化学者们基于数值仿真、实验手段对水翼、螺旋桨、喷水推进、离心泵等进行了大量研究，取得了良好的研究成果。如季斌[3]采用修正的湍流模型与ZGB 空化模型，研究了NACA 系列水翼的二维、三维空化形成机理，取得了突出的成绩，包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等；如王勇[12]、赵伟国[13-14]系统地研究对比了各类空化模型在离心泵中的适应性，提出了很多抑制空化的有效手段，如开缝、开槽、布置障碍物等。

本文基于前人在离心泵空化的研究基础上，针对某型航空燃油泵内部流动进行了数值计算，并分析了不同工况下的流动特征。

1 计算模型及二维模型

本文所研究的离心式航空燃油泵设计参数如下：额定流量Qd=5000L/h，额定增压ΔP=140kPa，额定转速n=5560r/min，比转速ns=102。叶轮水力参数：叶片进口直径D1=40mm，叶片出口宽度b2=3mm，叶片出口直径D2=67.5mm，叶片数Z=3，水力模型如图1所示。诱导轮水力参数：轮缘直径Dt2=46.2mm，轮毂直径Dt1=13mm，叶片数Zt=4，加工图如图1 所示。结构形式：单级单吸离心式，如图2 所示。驱动方式：无刷直流电机（湿式）及速度开环控制。

图1 叶片轴面投影图及诱导轮加工图Fig.1 Axial projection drawing of blade and machining drawing of inducer

图2 燃油泵结构简图Fig.2 Structural diagram of fuel pump

2 三维模型与网格及无关性

基于二维水力模型绘制三维模型，并用Ansys workbench mesh 对三维模型划分网格，燃油泵进口延伸段为六面体网格，叶轮蜗壳采用四面体自适应网格、诱导轮及离心叶片表面布置边界层进行加密，如图3所示。

图3 网格图Fig.3 Grid mesh

采用Ansys workbench CFX 对离心燃油泵进行无空化及空化工况下的数值仿真，湍流模型为双方程RNGk-ε，空化模型为ZGB（Zwart Gerber Belamri），介质为JetA liquid和JetA，空化工况下叶轮进口为压力进口，出口为质量流量出口，采用右手螺旋准则确定叶轮旋向为顺时针。为了获得最经济的网格数和计算步长，本文通过网格无关性原则确定了计算网格数，图4为额定工况下最大网格尺度与不同网格总数与增压的关系，可以看出随着最大网格尺度的减小，网格总数增加、增压下降，当最大网格尺度为1mm 时，增压值为152.2kPa，网格总数为2349432，此时扬程相关性低于0.5%，可以认为网格总数对计算结果无影响。图5为诱导轮与离心叶轮叶片表面的Y＋分布，Y＋最大值为20，符合计算要求。

图4 网格无关性检查Fig.4 Grid independence

图5 Y+分布Fig.5 Y+distribution

3 结果分析

3.1 外特性仿真与试验对比

图6为燃油泵试验台，由供油箱、测试油箱、热交换器、真空调节阀、流量计、压力传感器等组成。本文数值计算了500L/h，1000L/h，2000L/h，3000L/h，4000L/h，5000L/h，6000L/h，7000L/h 及8000L/h 等九种不同工况下的内部流场，仿真与测试结果如图7所示。可以看出，仿真增压值、轴功率与测试结果误差均在5%之内，额定工况下仿真增压值为152kPa，实测为145kPa。

图6 性能测试台Fig.6 Performance test bench

图7 外特性曲线Fig.7 External characteristic curves

3.2 空化性能曲线

定义空化数σ为：

式中，PT1为叶轮进口总压，kPa；PV为燃油饱和蒸汽压，kPa；ρ为燃油密度，kg/m3；U1为进口圆周速度，m/s。

图8 为500L/h（0.1Qd），5000L/h（1.0Qd）及6000L/h（1.2Qd）三个工况下的空化数σ与增压之间的性能曲线。从图8可以看出，随着空化数σ减小，增压值ΔP也逐步下降，增压值ΔP在空化数0.0953＜σ＜0.2429的下降幅度比空化数σ＞0.2429 的大；当空化数σ＜0.0658时，三个工况下的增压值ΔP出现了陡降；空化数σ=0.0953时为临界空化点；三种工况下的空化数σ与增压值ΔP的变化趋势基本相同，即空化余量NPSH 曲线在0.1Qd～1.2Qd工况近似为直线。

图8 空化性能曲线Fig.8 Cavitation characteristic curves

3.3 诱导轮与离心叶轮空化演变过程

图9～图11 为500L/h（0.1Qd），5000L/h（1.0Qd）及6000L/h（1.2Qd）三个工况下的诱导轮与离心叶轮表面的空化场演变过程。可以看出，三种工况下的空泡演变趋势一致，当空化数σ=0.5381时，诱导轮叶片吸力面出现了部分空化，集中在叶顶区；随着空化数σ减小到0.2429 时，空化区扩大到了吸力面大部分，靠近轮毂区出现了叶梢空化，空化区占整个吸力面面积的60%以上；空化数σ继续减小到0.0953 时，空化区覆盖整个诱导轮吸力面，此时离心叶片吸力面也出现了较明显的空化；当空化数σ≤0.0658时，诱导轮与离心叶轮吸力面空化区扩大至整个叶片区。

图9 0.1Qd工况空泡云图Fig.9 Bubble cloud under 0.1Qd condition

图10 1.0Qd工况空泡云图Fig.10 Bubble cloud under 1.0Qd condition

图11 1.2Qd工况空泡云图Fig.11 Bubble cloud under 1.2Qd condition

3.4 空泡体积占比

图12～图14 为500L/h（0.1Qd），5000L/h（1.0Qd）及6000L/h（1.2Qd）三个工况下的不同过流部件中的空泡体积占比。可以看出，当空化数0.0363＜σ＜0.6885时，吸入段和蜗壳段几乎无空泡，诱导轮与离心叶轮区的空泡含量随着空化数的减小而逐步增大；当空化数σ=0.0953时，图8 中的外特性增压值出现临界点（增压下降了约3%），诱导轮与离心叶轮区的空泡含量在5%～10%；空化数σ＜0.0953 时，该区域的空泡含量急剧增大，当空化数σ=0.0363 时，空泡含量约占整个介质的25%，图8 中的外特性增压值急剧降低。

图12 0.1Qd工况Fig.12 The condition of 0.1Qd

图14 1.2Qd工况Fig.14 The condition of 1.2Qd

3.5 轴截面上空泡演变过程

图15 为叶轮区轴截面的空泡演变，当空化数σ＞0.3905时，诱导轮吸力面叶顶附近存在较明显的回流涡空化；当空化数σ＜0.0953 时，空泡区发展到了轮毂区域，且与回流涡空化逐步融合形成云空化。从图16～图17 可以看出，吸入段存在与主流流动方向相反的二次回流现象，诱导轮叶顶存在回流涡，诱导轮与离心叶轮之间存在泄漏涡，这些旋涡不管是否有空化流动均存在于流场中。

图15 1.0Qd工况叶轮区空泡运动Fig.15 Cavitation movement in impeller zone under 1.0Qd

图16 1.0Qd工况-无空化Fig.16 No cavitation under 1.0Qd condition

图17 1.0Qd工况-无空化Fig.17 No cavitation under 1.0Qd condition

4 结论

1）对诱导轮和离心叶轮表面进行边界层加密，获得了较小的Y+，通过与测试值的对比分析，仿真结果误差小于5%；

2）诱导轮可有效抑制空化的发生和发展，在小流量与额定工况下，空化发展的拐点均在空化数σ=0.0953时，诱导轮与叶轮区的空泡体积占5%～10%；

3）诱导轮与离心叶轮中包含二次流、泄漏涡、回流涡、回流涡空化及云空化等不同的复杂流动。