燃油汽心泵的数值模拟与试验

于定鹏　王　彬　邓卫华　叶志锋

1.南京航空航天大学江苏省航空动力系统重点实验室，南京，2100162.中国航空工业集团公司贵州红林机械有限公司，贵阳，550009

燃油汽心泵的数值模拟与试验

于定鹏1王彬1邓卫华2叶志锋1

1.南京航空航天大学江苏省航空动力系统重点实验室，南京，2100162.中国航空工业集团公司贵州红林机械有限公司，贵阳，550009

作为离心泵的一种演变泵型，燃油汽心泵在航空发动机中应用前景良好，叶轮区形成的汽心对泵的工作状态和性能影响较大。基于RNGκ-ε湍流模型对汽心泵内流场进行了非定常汽液两相数值模拟，研究了进口节流活门开度与出口负载对汽心区域的影响规律。为验证数值模拟结果的精度，利用汽心泵样机开展了基本特性试验。结果表明，汽心泵内燃油汽化发生于叶轮进口端；汽心区域随出口负载减小逐渐扩张。扩张至叶片区后，燃油全部从叶片压力面一侧流道进入蜗室；其他工况不变时汽心区随节流活门开度减小而迅速扩张，2 mm开度时泵的效率最低可降至20%以下。数值模拟与样机试验误差基本在10%以内。

汽心泵; 汽液两相; 进口节流活门；数值模拟

0　引言

燃油泵是航空发动机燃油系统中的关键元件之一，当需要对油箱燃油增压以满足主燃油泵的吸入条件或需短时加大供油量以增加转速和推力时，多采用供油量大的离心泵或汽心泵供油。离心泵具有诸多优点，但因其只能靠旁路回油调节供油量，在大节流比时功耗与温升很大，因而限制了其在发动机上的使用范围。汽心泵在离心泵的基础上发展而来，增加了进口节流装置，通过控制泵进口通流面积实现流量的主动调节，在国外诸多高性能发动机中已有使用[1]。目前国内外关于泵类的研究已较为成熟，主要集中在离心泵、轴流泵、旋流泵等[2-4]，而专门针对汽心泵的研究近期很少看到，文献[5]针对汽心泵建立了汽液两相流动的物理与数学模型，将改进后的SIMPLE算法应用于旋转叶轮内的两相流计算，并与汽心泵流场试验数据进行对比研究；文献[6-7]通过理论分析、样机试验和高速摄影方法，研究汽心泵的计算方法和特性，推导其稳定工作的基本方程，研究汽心区域的大小与性能参数之间的相互关系。因而，利用现在日趋成熟的数值模拟手段对燃油汽心泵进行数值研究，不仅可以清晰地认识汽心泵工作机理，加快满足设计指标的汽心泵研制工作，还可以扩大汽心泵应用范围。本文基于ANSYS Fluent对燃油汽心泵内部流场进行三维非定常汽液两相数值模拟，研究不同进口节流活门开度和出口负载下汽心泵的工作过程，分析汽心区域的发展及其影响因素，并通过样机试验验证数值模拟方法的准确度。

1　几何模型及网格划分

燃油汽心泵通过控制进口节流活门开度实现泵的供油流量调节。若泵的转速与进口压力不变，进口节流活门最大开度时，对燃油没有节流作用，此时为离心泵工况。当进口节流活门开度减小，活门对燃油产生节流，活门后压力降低。当压力降低至燃油饱和蒸气气压时，部分低压区域的液态燃油开始汽化。继续减小进口节流活门开度，大量燃油蒸气被压缩在叶轮中心形成汽心，即开始进入汽心泵工况。本文对汽心泵内燃油流经通道建立包括泵进口、进口节流活门、闭式径向直叶片叶轮、蜗壳和扩压器的几何实体模型，最大限度与汽心泵样机结构保持一致，如图1所示。其中，径向截面通过叶轮出口叶宽中间位置，轴向截面通过叶轮旋转轴。

图1　汽心泵几何模型

汽心泵基于进口节流活门调节供油量，本文选取全调节范围内三个典型活门开度(2 mm、5 mm、8 mm)为例研究。进口节流活门开度X如图2所示。考虑到汽心泵几何结构的复杂性，本文对计算域进行非结构化网格划分，将全流道分为三个区域，即进口区域、叶轮区域、蜗壳及扩压器区域，叶轮区域作为转动区域，区域之间设置动静交界面实现互连。对泵体外壁面采用棱柱网格加密，叶轮壁面通过控制最大网格尺寸实现壁面加密，并对隔舌附近进行局部加密。经网格无关性验证并考虑到计算速度与所需时间，建立总网格单元数为185万的网格模型进行汽心泵的数值模拟研究。

图2　进口节流活门开度示意图

2　控制方程及湍流模型

汽心泵内流动主要为三维黏性不可压缩的非定常流动，考虑质量守恒、动量守恒及能量守恒方程，建立雷诺时均Navier-Stokes方程组[8]，以定常计算结果作为初始流场，监测汽心泵进口压力与出口流量，当残差收敛后进行非定常数值模拟。选取可以考虑到分离流动和涡旋流动效应的RNGκ-ε双方程湍流模型使得控制方程组封闭[9]。分别采用质量流量进口及压力出口边界条件，近壁区采用标准壁面函数。定常模拟中采用多重参考系实现叶轮旋转，非定常模拟中换用滑移网格模型实现。考虑汽心泵工作过程中的液态燃油汽化过程，采用Schnerr-Sauer空化模型，在泵内压力低于燃油饱和蒸汽压(2347 Pa)时，燃油由液态转变为汽态。通过时间步长无关性验证，设置时间步长为叶轮每旋转3°的时间。选取SIMPLE算法求解控制方程，计算收敛精度设置为10-5。

3　计算结果与分析

汽心泵工作时叶轮区内形成汽心，能使泵的输出对负载干扰有自适应特性，满足现代航空发动机对燃油泵流量调节范围宽、流量稳定等供油品质要求。泵的流量、负载与转速变化时，会引起汽心区域相应变化，从而使汽心泵在转速波动、负载变化时具有自稳定作用[10]。汽心区域的研究对汽心泵性能至关重要，故以下研究汽心泵工作过程中汽心区域的变化规律。

3.1汽心区域的发展

以进口节流活门开度5 mm、叶轮转速24 000 r/min、进口流量5.5 kg/s这一典型汽心泵工况为例，改变出口负载即出口压力，根据数值模拟结果可以看出叶轮中心汽心区域的生成及发展过程。已试验的该工况点出口压力pout0为4.12 MPa，通过依次增大或减小该出口压力的5%，由定常计算至收敛再转换为非定常计算，取流场稳定以后的结果进行分析。图3a～图3d所示为出口压力分别为1.15pout0、1.10pout0、0.95pout0和0.65pout0时汽心泵内汽相体积分数分布即汽心区域随出口负载的发生与变化情况。

(a)出口压力为1.15pout0

(b)出口压力为1.10pout0

(c)出口压力为0.95pout0

(d)出口压力为0.65pout0图3　不同出口压力下汽相体积分数分布

图3a中，左图为右图中的粗实线所指示处的叶轮径向截面汽相体积分数分布图。在此工况下，汽心泵内燃油全部为液态，仅有图3a左图中圆圈标出的三处，即靠近叶轮进口的叶片吸力面一侧出现了汽相体积分数最高达44%的油汽混合区。图3b是图1所示的径向与轴向截面上的汽相体积分数分布，径向截面仅选取叶轮区部分，其余区域内均为液态燃油。如图3b所示，此时除了在叶片入口边具有较高的汽相体积分数分布外，叶轮中心(即叶轮锁紧螺母附近)与进口节流活门间已被汽化燃油完全占据。图3c是出口压力降低到0.95pout0时的汽相体积分数分布图。汽态区域已完全包围叶轮中心，且所有叶片入口边也处于汽态区域之中。图3d为进一步降低出口压力后的汽相体积分数分布图。汽态区域进一步扩大，大部分叶片间的流道也被汽态区域包围，只在叶片压力面一侧有液态燃油流过。

由图3分析可知汽态区域形成的大致过程：燃油最先在叶轮进口端出现汽化现象。随泵出口压力的减小，整个叶片入口边开始出现汽态燃油且所占体积分数相比之前更高。出口压力进一步降低，汽化区域开始从叶片入口边沿叶片吸力面向叶片出口边蔓延，且进口节流活门阀芯背面开始出现较为规则的汽态区域。随出口压力继续降低，汽态区域已充盈进口节流活门阀芯背面与叶轮之间的空间，且在叶片吸力面一侧的大部分区域也已完全为汽态区。

图4为上述出口压力变化下四种工况的扬程、效率与功率对比图，其中横轴上a～d分别代表图3a～图3d工况。从图中看出，出口压力的变化对泵的效率有显著的影响。泵出口压力从1.15pout0到0.65pout0，即汽心区域从刚开始生成，到接近叶片入口边，再到沿叶轮径向向叶片出口边发展，泵的效率呈现先上升后降低的规律，且在汽心区域进入叶片区开始，效率下降很快，至汽心区域接近叶片出口边时，汽心泵效率已低至20%左右。

图4　不同出口压力下泵的性能对比图

3.2进口节流活门的影响

将相同进口压力与转速下，不同进口节流活门开度对应的汽心泵内流动情况进行比较。在汽心泵进口压力1.1 MPa、转速24 000 r/min，进口节流活门开度分别为2 mm、5 mm和8 mm典型工况下，泵内叶轮轴向、径向截面上的汽相体积分数分布如图5所示。随着进口节流活门开度的增大，汽心区域从叶片流道开始逐渐收缩。开度为2 mm时，叶轮中心以及大部分叶片流道被汽态燃油占据；开度为5 mm时，整个叶片流道仅在叶片入口边有少量汽态分布，如图5b所示。开度继续增大，汽心区域继续收缩，直到退出整个叶片区，叶轮中心与进口节流活门间的区域液态燃油所占体积分数才开始逐步增大。开度8mm时已为离心泵工况，此时只在靠近叶轮进口端与阀芯中心有最高近70%的汽相体积分数分布。图5c中左图截面即为图3a中右图粗实线位置的径向截面。此时仅在阀芯中心与叶片入口处(如图5c左图中圆圈表示处)有较高的汽相体积分数分布。

(a)X=2 mm

(b)X=5 mm

(c)X=8 mm图5　不同节流活门开度下汽相体积分数分布

图6是在上述三种进口节流活门开度下汽心泵的扬程、功率与效率对比图。随着进口节流活门开度从2 mm增加到5 mm，泵的扬程、效率、功率都随开度增加显著提高；开度从5 mm增至8 mm时，扬程的增加并不显著，功率稍有下降，而效率仍有较高的提升幅度，说明相同工况下，进口节流活门开度越大，泵的效率值越高。

图6　不同进口节流活门开度下泵的性能对比图

4　试验验证

为验证数值模拟结果的精度，本文对研制的汽心泵样机在高压大流量离心泵综合性能试验台上进行了性能试验。用汽心泵样机代替原有的离心泵进行试验。通过调节控制开关与低压泵转速保持汽心泵进口燃油压力不变。被试汽心泵出口附近安装压力传感器与流量计，实时监测出口压力与流量。对进口节流活门开度的调节通过旋转其端部的调整钉来实现，即每旋转一圈，进口节流活门运动1个导程的距离。试验系统原理如图7所示。

图7　试验系统原理图

(a)X=2 mm

(b)X=5 mm

(c)X=8 mm图8　汽心泵特性对比图

通过试验获得汽心泵在不同进口节流活门开度下的流量、扬程、效率与功率。利用数值计算，可以得到泵在相应工况下的扬程、叶轮转矩。图8即为不同进口节流活门开度时，汽心泵在转速26 230 r/min，进口压力分别为0.5 MPa、0.8 MPa与1.1 MPa下样机泵试验结果与数值模拟结果对比图。可以看出，试验结果与数值结果吻合得较好，大部分结果非常接近，误差在10%以内。因而，可以认为本文数值模拟工作的准确度在可接受的范围内，只有个别几个工况点除外，如开度为2 mm时，进口压力为0.5 MPa与1.1 MPa下的扬程值，误差分别为12%与9%；开度为5 mm时，进口压力1.1 MPa下的功率值与效率值，误差分别为18%、12%。图8a为2 mm开度下，不同进口压力条件下汽心泵的性能参数对比图。此时，随进口压力的变化，扬程、功率和效率均变化不大，且效率不足20%，即汽心泵在小开度工况效率低下。

图8b为5 mm开度汽心泵性能参数对比图。随着进口压力的增高，扬程、功率、效率都有明显的上升。此时，已接近汽心泵额定工作范围。图8c中，泵的扬程、效率、功率仅随进口压力的增高有小幅上升。

由以上分析，可以得到，在进口节流活门开度为2 mm时，汽心泵效率低下，增高进口压力对提高该工况下汽心泵效率作用不大。开度为5 mm时，进口压力的提高可以使汽心泵效率有明显上升。开度为8 mm时，汽心泵效率随进口压力的增大而上升，但提升幅度不大。

5　结论

(1)通过数值模拟获得的汽心泵外特性与试验结果误差基本在10%以内，即将本文中的数值模型用于汽心泵研究具有一定的准确性，开展的汽心泵数值模拟和外特性试验，对汽心泵的设计和应用有较大的参考价值。

(2)燃油的汽化始发于叶片进口一侧，汽化现象剧烈时在叶轮中心形成汽心区域，且随出口压力的减小汽心区域逐渐扩大。汽心区域延伸至叶轮区后对泵的效率影响较大；进口节流活门开度对汽心区域影响显著，开度减小，汽心区域迅速扩张。

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(编辑郭伟)

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

国家自然科学基金资助项目(51205188)

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

于定鹏，男，1990年生。南京航空航天大学能源与动力学院硕士研究生。主要研究方向为航空发动机燃油系统及元件。王彬，男，1978年生。南京航空航天大学能源与动力学院讲师。邓卫华，男，1958年生。中国航空工业集团公司贵州红林机械有限公司研究员。叶志锋，男，1962年生。南京航空航天大学能源与动力学院教授、博士研究生导师。