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液压气动与密封 2024年第1期44卷 52-57页

作者：徐金鹏杨军虎周鹏程马俊兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 甘肃省流体机械及系统重点实验室甘肃兰州730050

为研究叶轮出口角以及分流叶片布置方式对高速超低比转速燃油泵扬程和效率的影响规律,选取复合叶轮的4个因素,叶片出口角β_(2)、叶片数z、分流叶片周向偏置度θ和偏转角α,基于正交试验设计法设计16组不同参数及结构的复合叶轮,对正交... 详细信息

为研究叶轮出口角以及分流叶片布置方式对高速超低比转速燃油泵扬程和效率的影响规律,选取复合叶轮的4个因素,叶片出口角β_(2)、叶片数z、分流叶片周向偏置度θ和偏转角α,基于正交试验设计法设计16组不同参数及结构的复合叶轮,对正交试验结果进行极差分析后得出各因素对扬程和效率的影响规律以及主次顺序,并最终得到高速燃油泵复合叶轮的最佳设计方案。其次,基于CFD数值模拟对常规无分流叶片设计方案与最佳设计方案进行外特性及流场分析,结果表明:最佳方案的扬程和效率在整个模拟工况内均有所提升,其中在实际工况Q为0.5 m~3/h下扬程较常规方案提高了10.4%,效率提高了4.8%。除此之外,最佳方案实际工况下的内流场压力分布与速度分布更加均匀,有效削弱了叶轮流道内的大尺度旋涡以及间隙泄漏对主流的干扰作用。

关键词：高速燃油泵超低比转速复合叶轮正交试验数值模拟

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叶轮及蜗壳主要几何参数对高速燃油泵性能影响的研究

叶轮及蜗壳主要几何参数对高速燃油泵性能影响的研究

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作者：徐金鹏兰州理工大学

学位级别：硕士

随着航空航天技术的进步,离心泵凭借其轻量化、耐污能力强以及无供油脉动等优点逐渐代替传统齿轮泵成为航空发动机燃油系统的主泵和加力泵,其中部分燃油泵为超低比转速泵。而超低比转速泵在小流量、高转速条件下运行时普遍存在效率偏低... 详细信息

随着航空航天技术的进步,离心泵凭借其轻量化、耐污能力强以及无供油脉动等优点逐渐代替传统齿轮泵成为航空发动机燃油系统的主泵和加力泵,其中部分燃油泵为超低比转速泵。而超低比转速泵在小流量、高转速条件下运行时普遍存在效率偏低、工作不稳定等问题,且叶轮及蜗壳主要几何参数对泵性能以及内部流场的影响较传统离心泵也存在较大差异。因此,本文以一台采用半开式复合叶轮的离心式燃油泵为研究对象,重点研究了燃油泵在小流量、高转速条件下运行时,复合叶轮的出口角、分流叶片布置方式以及蜗壳喉部面积对燃油泵外特性、内流场和非定常压力脉动特性的影响,以提高燃油泵的性能和运行稳定性。本文主要研究内容和所得结论如下:(1)根据给定设计参数(流量Q=0.5m/h,扬程H=80m,转速n=10000r/min,介质为航空煤油,密度ρ=786kg/m,动力粘度μ=2.5×10pa·s,n=16),结合超低比转速离心泵速度系数法和加大流量设计法,完成了对燃油泵叶轮和蜗壳的水力设计,并分析了小流量、高转速运行条件对燃油泵各个几何参数计算取值的影响。(2)选取影响复合叶轮性能的4个主要因素—叶片出口角β、叶片数z、分流叶片周向偏置度θ和偏转角α,借助正交试验法选取4水平条件设计16组不同参数及结构的复合叶轮,并在Q=0.5m/h工况下进行全流道数值模拟,对正交试验结果进行极差分析后得出,各因素对效率影响的主次顺序为分流叶片偏置度、叶片数、叶片出口角和分流叶片偏转角。其次,在保证扬程满足工作要求的基础上,选取各因素的效率最高水平β=35°,z=5+5,θ=0.45θ以及α=8°(向长叶片吸力面偏置)为燃油泵复合叶轮的最佳设计方案。(3)将最佳方案与常规无分流叶片设计方案在10个不同工况下进行定常数值模拟,得到两种方案的外特性曲线和内流场分布情况,并在实际工况Q=0.5m/h和设计工况(加大流量工况)Q=1.25m/h下进行非定常数值模拟得到两种方案的压力脉动特性,通过分析对比后得出:最佳方案在实际工况下的效率和扬程较常规方案分别提升了5.02%和12.04%,在设计工况下的效率和扬程分别提升了8.87%和18.59%;其次,最佳方案中间截面静压沿径向流道的梯度变化更加平缓,尤其在叶轮出口的静压分布更加均匀,叶轮流道内的大尺度旋涡明显被削弱,且整体湍流强度显著减小;除此之外,最佳方案叶轮-蜗壳交界面以及隔舌处的压力脉动幅值较常规方案明显降低,在两个工况下各监测点的压力脉动平均幅值较常规方案分别下降了为52.67%与57.99%。(4)基于面积比原理,在国内面积比统计曲线高效区范围内选取了0.046、0.058、0.069和0.081四种不同面积比的蜗壳与最佳方案所得复合叶轮相匹配,将4种方案在10个不同工况下进行定常数值模拟得到其外特性曲线,并在实际工况Q=0.5m/h和设计工况Q=1.25m/h下进行非定常数值模拟得到4种方案蜗壳内以及隔舌处的压力脉动特性,通过分析对比后得出:当Y=0.046时,燃油泵在实际工况下的效率最高,但扬程随流量的增大下降较快,蜗壳流道内壁以及隔舌处的压力脉动幅值在4个方案中最大,不利于燃油泵的多工况稳定运行;当Y=0.058时,在小流量工况范围内的效率整体最高,但蜗壳内的压力脉动平均幅值仅次于Y=0.046方案;当Y=0.069时,燃油泵只在设计工况下的效率和扬程最高,小流量范围内(0.35m/h≤Q≤0.95 m/h)的效率明显低于Y=0.046与Y=0.058方案,但蜗壳流道内压力脉动的平均幅值在4个方案中最小;当Y=0.081时,燃油泵H-Q曲线最为平坦,η-Q曲线最高效率点向大流量方向偏移,有利于燃油泵偏大流量工况运行,但在小流量工况下的效率低,压力脉动幅值沿蜗壳流道圆周方向出现明显的急剧变化,不利于燃油泵的稳定运行。

关键词：高速燃油泵复合叶轮正交试验面积比压力脉动

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诱导轮几何参数对高速燃油泵流场及空化性能的影响研究

诱导轮几何参数对高速燃油泵流场及空化性能的影响研究

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作者：贾宁宁兰州理工大学

学位级别：硕士

空化过程包括空泡从初生、发展到溃灭,尤其在空泡溃灭的过程中,该过程会导致水力机械出现一些有害的现象,如引起压力脉动与高频噪音,影响机组的稳定与安全运转。空化引起的压力脉动等会造成离心泵外特性变差,同时引起振动与噪声等;空泡... 详细信息

空化过程包括空泡从初生、发展到溃灭,尤其在空泡溃灭的过程中,该过程会导致水力机械出现一些有害的现象,如引起压力脉动与高频噪音,影响机组的稳定与安全运转。空化引起的压力脉动等会造成离心泵外特性变差,同时引起振动与噪声等;空泡溃灭时产生的压力冲击会对流体机械过流部件的固体壁面产生剥蚀破坏,也就是空蚀作用。燃油泵作为航空发动机的重要供油部件,空化性能是保障其可靠性的关键点。加装诱导轮是提高离心泵空化性能的最有效措施,因此研究诱导轮对燃油泵的空化性能影响具有重要意义。本文以某型号高速燃油泵关键水力部件变螺距诱导轮为研究对象,基于数值计算,研究了诱导轮叶顶间隙、叶片轴截面倾角变化对高速燃油泵空化性能的影响。具体研究内容如下:1.研究了高速燃油泵空化发展过程及不同流量下的空化性能。高速燃油泵的扬程随着流量增大而下降,由于叶轮属于低比转速,效率随着流量的增大而增大。结合空化性能曲线、诱导轮及叶轮叶栅空化演变及流道内空泡分布,对于不同工况下高速燃油泵的空化性能,随着流量的增大,流道内的空泡迅速增多,高速燃油泵的断裂空化数增大,燃油泵发生空化断裂的位置前移,扬程更早的发生陡降。2.研究了诱导轮叶顶间隙大小对高速燃油泵空化性能的影响。随着诱导轮叶顶间隙的增大,高速燃油泵空化性能曲线中的临界空化数与断裂空化数均增大,空化性能变差。叶顶间隙流与主流相互作用在诱导轮上游形成剪切流区域,该区域速度大压力小,且区域内旋涡流造成较大的能量损失,是容易发生空化的位置,发生空化时容易形成非对称螺旋形涡空化;当诱导轮叶顶间隙增大,间隙流对剪切层流动的影响增大,诱导轮上游的涡空化面积增大,导致流道内流态恶化。3.研究了变螺距诱导轮叶片轴截面在轴面的倾角变化对高速燃油泵空化性能的影响。变螺距诱导轮叶片轴截面在轴面的倾角在一定范围内变化时,会改善高速燃油泵的空化性能。但是当倾角过大时,导致流动分离加剧,反而加剧了燃油泵的空化发展,本研究中高速燃油泵在诱导轮轴面叶片轴轴截面的倾角在θ=2°时获得最好的空化性能。诱导轮叶片轴截面在轴面的后倾角变化可以微调诱导轮进口轮缘及轮毂的安放角,当改变叶片轴截面倾角时,会增大诱导轮轮缘处的进口安放角,改善液流角与叶片安放角的匹配,减少流动分离使诱导轮空化性能更好;但是角度超过一定范围时,负冲角过大反而加剧流动分离使空化性能变差。

关键词：高速燃油泵诱导轮空化叶顶间隙叶片轴截面

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高速航空燃油泵水力设计及两相流场数值模拟

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大电机技术 2021年第6期 47-55,67页

作者：陈娅徐三树张小波肖若富陶然航空机电系统综合航空科技重点实验室(航空工业南京机电液压工程研究中心) 南京211106 中国农业大学水利与土木工程学院北京100083

为了满足下一代飞机发动机燃料供给的需求,根据供油系统的性能指标,确定燃油泵结构型式,基于速度系数法计算燃油泵的主要结构参数,完成高速燃油泵水力设计,建立其三维模型并进行网格划分。借助ANSYS-CFX仿真软件,基于RNG k-ε湍流模型及... 详细信息

为了满足下一代飞机发动机燃料供给的需求,根据供油系统的性能指标,确定燃油泵结构型式,基于速度系数法计算燃油泵的主要结构参数,完成高速燃油泵水力设计,建立其三维模型并进行网格划分。借助ANSYS-CFX仿真软件,基于RNG k-ε湍流模型及Zwart空化模型,实现燃油泵非空化及空化状态下的内流场数值模拟,分析其外特性变化趋势及压力、速度分布规律并预测其空化性能。结果表明:高速燃油泵扬程、效率、功率随流量的变化符合离心泵性能变化规律,且在设计点附近达到最高效率82.76%;有效汽蚀余量较大时,燃油泵扬程基本不发生变化,当有效汽蚀余量减小到一定值,扬程开始缓慢下降而后急剧减小,扬程下降3%对应的临界汽蚀余量为12.7m。

关键词：高速燃油泵水力设计流场特性空化性能数值模拟

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