于定鵬　王　彬　鄧衛(wèi)華　葉志鋒

1.南京航空航天大學(xué)江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京，2100162.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司貴州紅林機(jī)械有限公司，貴陽，550009

燃油汽心泵的數(shù)值模擬與試驗

于定鵬1王彬1鄧衛(wèi)華2葉志鋒1

1.南京航空航天大學(xué)江蘇省航空動力系統(tǒng)重點實驗室，南京，2100162.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司貴州紅林機(jī)械有限公司，貴陽，550009

作為離心泵的一種演變泵型，燃油汽心泵在航空發(fā)動機(jī)中應(yīng)用前景良好，葉輪區(qū)形成的汽心對泵的工作狀態(tài)和性能影響較大?；赗NGκ-ε湍流模型對汽心泵內(nèi)流場進(jìn)行了非定常汽液兩相數(shù)值模擬，研究了進(jìn)口節(jié)流活門開度與出口負(fù)載對汽心區(qū)域的影響規(guī)律。為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的精度，利用汽心泵樣機(jī)開展了基本特性試驗。結(jié)果表明，汽心泵內(nèi)燃油汽化發(fā)生于葉輪進(jìn)口端；汽心區(qū)域隨出口負(fù)載減小逐漸擴(kuò)張。擴(kuò)張至葉片區(qū)后，燃油全部從葉片壓力面一側(cè)流道進(jìn)入蝸室；其他工況不變時汽心區(qū)隨節(jié)流活門開度減小而迅速擴(kuò)張，2 mm開度時泵的效率最低可降至20%以下。數(shù)值模擬與樣機(jī)試驗誤差基本在10%以內(nèi)。

汽心泵; 汽液兩相; 進(jìn)口節(jié)流活門；數(shù)值模擬

0　引言

燃油泵是航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件之一，當(dāng)需要對油箱燃油增壓以滿足主燃油泵的吸入條件或需短時加大供油量以增加轉(zhuǎn)速和推力時，多采用供油量大的離心泵或汽心泵供油。離心泵具有諸多優(yōu)點，但因其只能靠旁路回油調(diào)節(jié)供油量，在大節(jié)流比時功耗與溫升很大，因而限制了其在發(fā)動機(jī)上的使用范圍。汽心泵在離心泵的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，增加了進(jìn)口節(jié)流裝置，通過控制泵進(jìn)口通流面積實現(xiàn)流量的主動調(diào)節(jié)，在國外諸多高性能發(fā)動機(jī)中已有使用[1]。目前國內(nèi)外關(guān)于泵類的研究已較為成熟，主要集中在離心泵、軸流泵、旋流泵等[2-4]，而專門針對汽心泵的研究近期很少看到，文獻(xiàn)[5]針對汽心泵建立了汽液兩相流動的物理與數(shù)學(xué)模型，將改進(jìn)后的SIMPLE算法應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)葉輪內(nèi)的兩相流計算，并與汽心泵流場試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究；文獻(xiàn)[6-7]通過理論分析、樣機(jī)試驗和高速攝影方法，研究汽心泵的計算方法和特性，推導(dǎo)其穩(wěn)定工作的基本方程，研究汽心區(qū)域的大小與性能參數(shù)之間的相互關(guān)系。因而，利用現(xiàn)在日趨成熟的數(shù)值模擬手段對燃油汽心泵進(jìn)行數(shù)值研究，不僅可以清晰地認(rèn)識汽心泵工作機(jī)理，加快滿足設(shè)計指標(biāo)的汽心泵研制工作，還可以擴(kuò)大汽心泵應(yīng)用范圍。本文基于ANSYS Fluent對燃油汽心泵內(nèi)部流場進(jìn)行三維非定常汽液兩相數(shù)值模擬，研究不同進(jìn)口節(jié)流活門開度和出口負(fù)載下汽心泵的工作過程，分析汽心區(qū)域的發(fā)展及其影響因素，并通過樣機(jī)試驗驗證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確度。

1　幾何模型及網(wǎng)格劃分

燃油汽心泵通過控制進(jìn)口節(jié)流活門開度實現(xiàn)泵的供油流量調(diào)節(jié)。若泵的轉(zhuǎn)速與進(jìn)口壓力不變，進(jìn)口節(jié)流活門最大開度時，對燃油沒有節(jié)流作用，此時為離心泵工況。當(dāng)進(jìn)口節(jié)流活門開度減小，活門對燃油產(chǎn)生節(jié)流，活門后壓力降低。當(dāng)壓力降低至燃油飽和蒸氣氣壓時，部分低壓區(qū)域的液態(tài)燃油開始汽化。繼續(xù)減小進(jìn)口節(jié)流活門開度，大量燃油蒸氣被壓縮在葉輪中心形成汽心，即開始進(jìn)入汽心泵工況。本文對汽心泵內(nèi)燃油流經(jīng)通道建立包括泵進(jìn)口、進(jìn)口節(jié)流活門、閉式徑向直葉片葉輪、蝸殼和擴(kuò)壓器的幾何實體模型，最大限度與汽心泵樣機(jī)結(jié)構(gòu)保持一致，如圖1所示。其中，徑向截面通過葉輪出口葉寬中間位置，軸向截面通過葉輪旋轉(zhuǎn)軸。

圖1　汽心泵幾何模型

汽心泵基于進(jìn)口節(jié)流活門調(diào)節(jié)供油量，本文選取全調(diào)節(jié)范圍內(nèi)三個典型活門開度(2 mm、5 mm、8 mm)為例研究。進(jìn)口節(jié)流活門開度X如圖2所示。考慮到汽心泵幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本文對計算域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，將全流道分為三個區(qū)域，即進(jìn)口區(qū)域、葉輪區(qū)域、蝸殼及擴(kuò)壓器區(qū)域，葉輪區(qū)域作為轉(zhuǎn)動區(qū)域，區(qū)域之間設(shè)置動靜交界面實現(xiàn)互連。對泵體外壁面采用棱柱網(wǎng)格加密，葉輪壁面通過控制最大網(wǎng)格尺寸實現(xiàn)壁面加密，并對隔舌附近進(jìn)行局部加密。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證并考慮到計算速度與所需時間，建立總網(wǎng)格單元數(shù)為185萬的網(wǎng)格模型進(jìn)行汽心泵的數(shù)值模擬研究。

圖2　進(jìn)口節(jié)流活門開度示意圖

2　控制方程及湍流模型

汽心泵內(nèi)流動主要為三維黏性不可壓縮的非定常流動，考慮質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒方程，建立雷諾時均Navier-Stokes方程組[8]，以定常計算結(jié)果作為初始流場，監(jiān)測汽心泵進(jìn)口壓力與出口流量，當(dāng)殘差收斂后進(jìn)行非定常數(shù)值模擬。選取可以考慮到分離流動和渦旋流動效應(yīng)的RNGκ-ε雙方程湍流模型使得控制方程組封閉[9]。分別采用質(zhì)量流量進(jìn)口及壓力出口邊界條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。定常模擬中采用多重參考系實現(xiàn)葉輪旋轉(zhuǎn)，非定常模擬中換用滑移網(wǎng)格模型實現(xiàn)。考慮汽心泵工作過程中的液態(tài)燃油汽化過程，采用Schnerr-Sauer空化模型，在泵內(nèi)壓力低于燃油飽和蒸汽壓(2347 Pa)時，燃油由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠麘B(tài)。通過時間步長無關(guān)性驗證，設(shè)置時間步長為葉輪每旋轉(zhuǎn)3°的時間。選取SIMPLE算法求解控制方程，計算收斂精度設(shè)置為10-5。

3　計算結(jié)果與分析

汽心泵工作時葉輪區(qū)內(nèi)形成汽心，能使泵的輸出對負(fù)載干擾有自適應(yīng)特性，滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)對燃油泵流量調(diào)節(jié)范圍寬、流量穩(wěn)定等供油品質(zhì)要求。泵的流量、負(fù)載與轉(zhuǎn)速變化時，會引起汽心區(qū)域相應(yīng)變化，從而使汽心泵在轉(zhuǎn)速波動、負(fù)載變化時具有自穩(wěn)定作用[10]。汽心區(qū)域的研究對汽心泵性能至關(guān)重要，故以下研究汽心泵工作過程中汽心區(qū)域的變化規(guī)律。

3.1汽心區(qū)域的發(fā)展

以進(jìn)口節(jié)流活門開度5 mm、葉輪轉(zhuǎn)速24 000 r/min、進(jìn)口流量5.5 kg/s這一典型汽心泵工況為例，改變出口負(fù)載即出口壓力，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出葉輪中心汽心區(qū)域的生成及發(fā)展過程。已試驗的該工況點出口壓力pout0為4.12 MPa，通過依次增大或減小該出口壓力的5%，由定常計算至收斂再轉(zhuǎn)換為非定常計算，取流場穩(wěn)定以后的結(jié)果進(jìn)行分析。圖3a～圖3d所示為出口壓力分別為1.15pout0、1.10pout0、0.95pout0和0.65pout0時汽心泵內(nèi)汽相體積分?jǐn)?shù)分布即汽心區(qū)域隨出口負(fù)載的發(fā)生與變化情況。

(a)出口壓力為1.15pout0

(b)出口壓力為1.10pout0

(c)出口壓力為0.95pout0

(d)出口壓力為0.65pout0圖3　不同出口壓力下汽相體積分?jǐn)?shù)分布

圖3a中，左圖為右圖中的粗實線所指示處的葉輪徑向截面汽相體積分?jǐn)?shù)分布圖。在此工況下，汽心泵內(nèi)燃油全部為液態(tài)，僅有圖3a左圖中圓圈標(biāo)出的三處，即靠近葉輪進(jìn)口的葉片吸力面一側(cè)出現(xiàn)了汽相體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)44%的油汽混合區(qū)。圖3b是圖1所示的徑向與軸向截面上的汽相體積分?jǐn)?shù)分布，徑向截面僅選取葉輪區(qū)部分，其余區(qū)域內(nèi)均為液態(tài)燃油。如圖3b所示，此時除了在葉片入口邊具有較高的汽相體積分?jǐn)?shù)分布外，葉輪中心(即葉輪鎖緊螺母附近)與進(jìn)口節(jié)流活門間已被汽化燃油完全占據(jù)。圖3c是出口壓力降低到0.95pout0時的汽相體積分?jǐn)?shù)分布圖。汽態(tài)區(qū)域已完全包圍葉輪中心，且所有葉片入口邊也處于汽態(tài)區(qū)域之中。圖3d為進(jìn)一步降低出口壓力后的汽相體積分?jǐn)?shù)分布圖。汽態(tài)區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，大部分葉片間的流道也被汽態(tài)區(qū)域包圍，只在葉片壓力面一側(cè)有液態(tài)燃油流過。

由圖3分析可知汽態(tài)區(qū)域形成的大致過程：燃油最先在葉輪進(jìn)口端出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。隨泵出口壓力的減小，整個葉片入口邊開始出現(xiàn)汽態(tài)燃油且所占體積分?jǐn)?shù)相比之前更高。出口壓力進(jìn)一步降低，汽化區(qū)域開始從葉片入口邊沿葉片吸力面向葉片出口邊蔓延，且進(jìn)口節(jié)流活門閥芯背面開始出現(xiàn)較為規(guī)則的汽態(tài)區(qū)域。隨出口壓力繼續(xù)降低，汽態(tài)區(qū)域已充盈進(jìn)口節(jié)流活門閥芯背面與葉輪之間的空間，且在葉片吸力面一側(cè)的大部分區(qū)域也已完全為汽態(tài)區(qū)。

圖4為上述出口壓力變化下四種工況的揚(yáng)程、效率與功率對比圖，其中橫軸上a～d分別代表圖3a～圖3d工況。從圖中看出，出口壓力的變化對泵的效率有顯著的影響。泵出口壓力從1.15pout0到0.65pout0，即汽心區(qū)域從剛開始生成，到接近葉片入口邊，再到沿葉輪徑向向葉片出口邊發(fā)展，泵的效率呈現(xiàn)先上升后降低的規(guī)律，且在汽心區(qū)域進(jìn)入葉片區(qū)開始，效率下降很快，至汽心區(qū)域接近葉片出口邊時，汽心泵效率已低至20%左右。

圖4　不同出口壓力下泵的性能對比圖

3.2進(jìn)口節(jié)流活門的影響

將相同進(jìn)口壓力與轉(zhuǎn)速下，不同進(jìn)口節(jié)流活門開度對應(yīng)的汽心泵內(nèi)流動情況進(jìn)行比較。在汽心泵進(jìn)口壓力1.1 MPa、轉(zhuǎn)速24 000 r/min，進(jìn)口節(jié)流活門開度分別為2 mm、5 mm和8 mm典型工況下，泵內(nèi)葉輪軸向、徑向截面上的汽相體積分?jǐn)?shù)分布如圖5所示。隨著進(jìn)口節(jié)流活門開度的增大，汽心區(qū)域從葉片流道開始逐漸收縮。開度為2 mm時，葉輪中心以及大部分葉片流道被汽態(tài)燃油占據(jù)；開度為5 mm時，整個葉片流道僅在葉片入口邊有少量汽態(tài)分布，如圖5b所示。開度繼續(xù)增大，汽心區(qū)域繼續(xù)收縮，直到退出整個葉片區(qū)，葉輪中心與進(jìn)口節(jié)流活門間的區(qū)域液態(tài)燃油所占體積分?jǐn)?shù)才開始逐步增大。開度8mm時已為離心泵工況，此時只在靠近葉輪進(jìn)口端與閥芯中心有最高近70%的汽相體積分?jǐn)?shù)分布。圖5c中左圖截面即為圖3a中右圖粗實線位置的徑向截面。此時僅在閥芯中心與葉片入口處(如圖5c左圖中圓圈表示處)有較高的汽相體積分?jǐn)?shù)分布。

(a)X=2 mm

(b)X=5 mm

(c)X=8 mm圖5　不同節(jié)流活門開度下汽相體積分?jǐn)?shù)分布

圖6是在上述三種進(jìn)口節(jié)流活門開度下汽心泵的揚(yáng)程、功率與效率對比圖。隨著進(jìn)口節(jié)流活門開度從2 mm增加到5 mm，泵的揚(yáng)程、效率、功率都隨開度增加顯著提高；開度從5 mm增至8 mm時，揚(yáng)程的增加并不顯著，功率稍有下降，而效率仍有較高的提升幅度，說明相同工況下，進(jìn)口節(jié)流活門開度越大，泵的效率值越高。

圖6　不同進(jìn)口節(jié)流活門開度下泵的性能對比圖

4　試驗驗證

為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的精度，本文對研制的汽心泵樣機(jī)在高壓大流量離心泵綜合性能試驗臺上進(jìn)行了性能試驗。用汽心泵樣機(jī)代替原有的離心泵進(jìn)行試驗。通過調(diào)節(jié)控制開關(guān)與低壓泵轉(zhuǎn)速保持汽心泵進(jìn)口燃油壓力不變。被試汽心泵出口附近安裝壓力傳感器與流量計，實時監(jiān)測出口壓力與流量。對進(jìn)口節(jié)流活門開度的調(diào)節(jié)通過旋轉(zhuǎn)其端部的調(diào)整釘來實現(xiàn)，即每旋轉(zhuǎn)一圈，進(jìn)口節(jié)流活門運(yùn)動1個導(dǎo)程的距離。試驗系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7　試驗系統(tǒng)原理圖

(a)X=2 mm

(b)X=5 mm

(c)X=8 mm圖8　汽心泵特性對比圖

通過試驗獲得汽心泵在不同進(jìn)口節(jié)流活門開度下的流量、揚(yáng)程、效率與功率。利用數(shù)值計算，可以得到泵在相應(yīng)工況下的揚(yáng)程、葉輪轉(zhuǎn)矩。圖8即為不同進(jìn)口節(jié)流活門開度時，汽心泵在轉(zhuǎn)速26 230 r/min，進(jìn)口壓力分別為0.5 MPa、0.8 MPa與1.1 MPa下樣機(jī)泵試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖。可以看出，試驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果吻合得較好，大部分結(jié)果非常接近，誤差在10%以內(nèi)。因而，可以認(rèn)為本文數(shù)值模擬工作的準(zhǔn)確度在可接受的范圍內(nèi)，只有個別幾個工況點除外，如開度為2 mm時，進(jìn)口壓力為0.5 MPa與1.1 MPa下的揚(yáng)程值，誤差分別為12%與9%；開度為5 mm時，進(jìn)口壓力1.1 MPa下的功率值與效率值，誤差分別為18%、12%。圖8a為2 mm開度下，不同進(jìn)口壓力條件下汽心泵的性能參數(shù)對比圖。此時，隨進(jìn)口壓力的變化，揚(yáng)程、功率和效率均變化不大，且效率不足20%，即汽心泵在小開度工況效率低下。

圖8b為5 mm開度汽心泵性能參數(shù)對比圖。隨著進(jìn)口壓力的增高，揚(yáng)程、功率、效率都有明顯的上升。此時，已接近汽心泵額定工作范圍。圖8c中，泵的揚(yáng)程、效率、功率僅隨進(jìn)口壓力的增高有小幅上升。

由以上分析，可以得到，在進(jìn)口節(jié)流活門開度為2 mm時，汽心泵效率低下，增高進(jìn)口壓力對提高該工況下汽心泵效率作用不大。開度為5 mm時，進(jìn)口壓力的提高可以使汽心泵效率有明顯上升。開度為8 mm時，汽心泵效率隨進(jìn)口壓力的增大而上升，但提升幅度不大。

5　結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬獲得的汽心泵外特性與試驗結(jié)果誤差基本在10%以內(nèi)，即將本文中的數(shù)值模型用于汽心泵研究具有一定的準(zhǔn)確性，開展的汽心泵數(shù)值模擬和外特性試驗，對汽心泵的設(shè)計和應(yīng)用有較大的參考價值。

(2)燃油的汽化始發(fā)于葉片進(jìn)口一側(cè)，汽化現(xiàn)象劇烈時在葉輪中心形成汽心區(qū)域，且隨出口壓力的減小汽心區(qū)域逐漸擴(kuò)大。汽心區(qū)域延伸至葉輪區(qū)后對泵的效率影響較大；進(jìn)口節(jié)流活門開度對汽心區(qū)域影響顯著，開度減小，汽心區(qū)域迅速擴(kuò)張。

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(編輯郭偉)

Numerical Simulation and Experiments of Vapor Core Pump

Yu Dingpeng1Wang Bin1Deng Weihua2Ye Zhifeng1

1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System,Nanjing,210016 2.AVIC Guizhou Honglin Machinery Co.,Ltd.,Guiyang,550009

As a variant of centrifugal pump, fuel VCP shows good application prospects in aero engines. The vapor core generating in impeller region had great influences on operation status and performance of VCP. Unsteady numerical simulation of VCP was presented herein based on RNG (renormalization group)κ-εturbulence model and vapor-liquid two-phase cavitation model. Effects of inlet throttle opening and outlet load on vapor core region were studied. In order to verify the reliability of numerical results, basic characteristics of a prototype pump were tested. Results show that fuel vaporization inside the pump occurs at the impeller inlet. The vapor core region gradually expands with the decreasing outlet pressure. When expanding to the blade region, liquid fuel flows into the volute from the pressure side of blade. Other conditions being unchanged, vapor core region rapidly expands when reducing the throttle opening. Efficiency of the VCP is less than 20% at 2 mm throttle opening. The simulation and test errors are within 10%.

vapor core pump(VCP); vapor-liquid two-phase; inlet throttle; numerical simulation

2014-11-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(51205188)

TH311DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.17.020

于定鵬，男，1990年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院碩士研究生。主要研究方向為航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)及元件。王彬，男，1978年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院講師。鄧衛(wèi)華，男，1958年生。中國航空工業(yè)集團(tuán)公司貴州紅林機(jī)械有限公司研究員。葉志鋒，男，1962年生。南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。