复合叶轮出口角及分流叶片偏置对高速燃油泵性能的影响研究.pdf
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1、液压气动与密封/2 0 2 4年第1期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.01.009复合叶轮出口角及分流叶片偏置对高速燃油泵性能的影响研究徐金鹏,杨军虎1,周鹏程,马俊(1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州7 30 0 50;2.甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃兰州7 30 0 50)摘要: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2、叶片数z、分流叶片周向偏置度和偏转角,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
2、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0.5m/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;数值模拟中图分类号:TH137;TH311The Study on the Effects of Composite Impel
3、ler Outlet Angle and Splitter Blade(1.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Key Laboratory of Fluid Machinery and Systems,Lanzhou 730050,China)Abstract:To investigate the effects of impeller outlet angle and splitter blade arrangement on the h
4、ead and efficiency of high-speed,ultra-lowspecific speed fuel pumps,four factors of composite impeller including blade outlet angle 2,number of blades z,circumferential offset degreeof splitter blades,and deflection angle were selected.Based on orthogonal experimental design,16 groups of composite i
5、mpellers withdfferent parameters and structures were designed,and the range analysis of orthogonal experimental results was conducted to obtain theinfluence rules and primary-secondary sequence of each factor on the head and efficiency.Finally,the optimal design scheme of the compositeimpeller for h
6、igh-speed fuel pumps was obtained.Furthermore,based on CFD numerical simulation,the external characteristics and flow fieldanalysis of the conventional non-splitter blade design scheme and the optimal design scheme were conducted.The results showed that the headand efficiency of the optimal scheme w
7、ere improved in the entire simulation condition.Among them,under the actual operating condition of Q=0.5 m/h,the head was increased by 10.4%and the efficiency was increased by 4.8%compared with the conventional scheme.In addition,the pressure distribution and velocity distribution of the internal fl
8、ow field of the optimal scheme were more uniform under the actual operatingcondition,effectively reducing the interference of large-scale vortices and clearance leakage in the impeller flow passage on the main flow.Key words:high-speed fuel pumps;ultra-low specific speed;composite impeller;orthogona
9、l experiment;numerical simulation0引言随着航空航天技术的进步,离心泵凭借其高性能、体积小以及轻量化等优点逐渐代替传统齿轮泵成为航收稿日期:2 0 2 3-0 3-14基金项目:国家自然科学基金(52 16 90 19)作者简介:徐金鹏(1997-),男,甘肃张掖人,硕士研究生,主要从事流体机械理论与设计的研究。52文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 1-0 0 52-0 6Offsets on the Performance of High-speed Fuel PumpsXU Jin-peng,YANG Jun-hul,Z
10、HOU Peng-cheng,MA Jun空发动机动力系统的主燃油泵,其中低比转速或超低比转速泵占比较大。而超低比转速离心泵由于本身结构及水力特性决定其运行效率很低,且在小流量工况下运行时很容易在叶轮流道内产生流动分离、二次流以及尾迹-射流等一系列不稳定现象,这些现象不但会消耗大量能量,大幅度降泵的扬程和效率,还会影响叶轮与蜗壳的动静耦合,导致泵内非稳态流动作用增强,在叶轮及蜗壳流道内产生较大的压力脉动,进而对泵Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024运行的稳定性与可靠性产生较大的影响。2.510-3Pas,比转速ng=16。为提高超低比转速离心泵在小流量工况
11、下运行时根据上述设计参数结合超低比转速离心泵速度系的效率以及稳定性,国内外学者做了大量研究。其中数法及加大流量设计法 11-12 ,可初步确定模型泵的基CHABANNES等!发现在超低比转速离心泵的叶轮中本几何参数,主要几何参数见表1。加人一个和两个分流叶片能在不影响泵效率的情况下表1燃油泵主要几何参数提高泵的扬程。王玥等 2 研究了长中短复合叶轮对小流量工况下超低比转速燃油泵非定常特性的影响规律;袁寿其等 3 对低比转速离心泵叶轮的出口宽度、出口安放角和叶片包角进行了多目标优化设计;张金凤 4、崔宝玲 5 分析了不同工况下分流叶片对低比转速离心泵非定常流场特性的影响,得到了泵内速度以及压力脉
12、动的变化规律;郭维等 6 对液体火箭发动机用的超低比转速离心泵复合叶轮进行了结构参数优化设计;YANGY等 7 通过正交试验研究了叶轮的开缝结构对低比转速离心泵性能的影响;LCU8、SID D IQU E 9 研究了分流叶片的叶片数、分流叶片长度对泵性能的影响规律。综上所述,为提高超低比转速离心泵在小流量工况下的性能,目前多以低转速条件下复合叶轮的外特性及内流场预测研究为主,但泵在高速条件下运行时,叶片出口角和分流叶片布置对泵性能和流场结构的影响也会发生变化,国内外对此问题的研究还不够深入,且很少涉及航空燃油泵领域。因此,本研究以一台采用半开式复合叶轮的高速燃油泵为研究对象,结合正交试验设计法
13、和数值模拟,研究高转速条件下叶片出口角及分流叶片布置方式对燃油泵性能以及流场的影响规律。会图1燃油离心泵结构图1模型泵的基本几何参数本研究所研究高速燃油泵的类型为单级单吸半开式离心泵,结构如图1所示,其主要水力性能参数为:流量Q=0.5m/h,扬程H=80m,转速n=10000 r/min,介质为航空煤油,密度p=786kg/m,动力黏度=参数叶轮进口直径D,/mm叶轮出口直径Dz/mm蜗壳进口直径D,/mm叶片出口宽度bz/mm蜗壳进口宽度b,/mm叶片进口角/()2正交试验设计正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法。对选定的试验因素可通过正交关系选出具有代表性的组合,并对选择出的组合
14、进行模拟分析,得出各个参数对产品性能的影响情况 13。本研究正交试验的主要目的为:通过试验结果分析,探究叶片出口角、叶片数、分流叶片偏置度和偏转角对高速燃油泵扬程、效率的影响规律以及影响主次顺序,并分析其原因;通过因素筛选得出高速燃油泵复合叶轮最佳设计方案,验证最佳方案对提高泵性能的可行性。文献 14-16 已经对分流叶片偏置设计中各因素对泵性能的影响规律做了相关研究并得到一定成果,在前人已取得的研究成果基础上,本研究重新选取了因素并调整了对应水平的取值范围,所选取的因素如下:因素A:叶片出口角2,叶片表面切线方向与反旋转方向圆周切线间的夹角;因素B:长+短叶片数z,长短叶片间隔布置,且短叶片
15、为长叶片的偶数倍;因素C:分流叶片偏置度,代表分流叶片在两主叶片中间的左右位置;因素D:分流叶片偏转角,代表分流叶片出口边向主叶片背面偏移的角度。半开式复合叶轮正交试验各因素设计方案如图2所示,其中分流叶片起始处直径D,根据文献 14 所得结论取D;=0.40.6(D,+D,),最终选取短叶片进口直径D;=44m m,短叶片起始处安放角,等于长叶片在D,处的叶片安放角。每个试验因素在合理范围内53数值26蜗壳喉部面积A/mm72轴向间隙 8/mm74流量放大系数i2.5比转速放大系数k22.9放大流量Q/(m/h)18放大比转速n25.4参数数值16.60.22.51.581.25液压气动与密
16、封/2 0 2 4年第1期选取4水平,正交试验水平表见表2。根据L(44)正交表,各因素水平通过合理均匀分配得到16 组试验方案,见表3。0.50050体域进行三维建模,如图3所示。本研究采用ANSYS软件进行数值仿真计算,其中网格划分采用ICEM软件进行划分,为了获得较为准确的泵内流场及计算结果,采用高质量的分块六面体网格,并对间隙、壁面、叶片表面等局部区域进行边界层加密,16 个方案网格总数大体保持一致,网格总数在48 0 万左右。$74.mmd14 mm72 mm226mm图2正交方案设计表2正交因素水平表因素水平A130235340445表3正交方案设计表试验因素序号ABCD序号ABC
17、D1A1B1C1D12A1B2C2D23A1B3C3D34A1B4C4D412A3B4C2D15A2B1C2D313A4B1C4D26A2B2C1D414A4B2C3D17A2B3C4D18A2B4C3D216A4B4C1D33数值模拟及结果分析3.1网格划分在确定16 个方案的各项参数之后,利用CFturbo对不同试验方案的叶轮、蜗壳进行水力设计,并对其流54后腔域螺旋域推动域侧间隙域进口隙域图3流场计算域BC4+40.355+50.46+60.454+4+80.5试验因素9A3B1C3D410A3B2C4D311A3B3C1D215A4B3C2D4D04812图4计算域网格3.2数值计算方
18、法及边界条件本研究数值模拟采用定常不可压流动下的雷诺平均模拟方法(RANS)以及RNG k-流模型,求解控制方法选择SIMPLEC作为压力-速度的耦合算法,压力离散格式采用二阶中心差分格式,动量方程、湍动能和耗散率均采用二阶迎风格式;在求解过程中,将进、出口压力作为监测变量,收敛精度均设置为110-,当进、出口压力基本保持不变时可判定为结果收敛。边界条件采用MRF多重参考系模型,进口按已知条件给定总压,出口根据不同工况给定质量流量,近壁面区域采用标准壁面函数,动静壁面均设置无滑移。上述所有方案的数值模拟均在实际工况Q=0.5m/h下进行,且除了叶轮各正交试验因素取不同参数外,泵其他模型参数均相
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