航空燃油离心泵抗汽蚀优化设计及仿真

贺 青，李晶晶，高 妮，王淑红

(中国航发西安动力控制科技有限公司设计研究所，陕西 西安 710077)

引言

在航空发动机燃油系统设计过程中，国内外均多采用离心泵做为燃油控制系统离心泵，尤其大流量、高转速、高性能、高推比航空发动机燃油泵，绝大部分均采用离心泵进行设计。

某航空燃油离心泵叶轮为开式叶轮。在高转速、大流量工况下，离心泵叶轮在使用过程中会出现汽蚀现象，叶轮汽蚀照片如图1所示。叶轮汽蚀会对航空燃油离心泵工作可靠性产生很大的隐患，直接影响产品的使用寿命，离心泵的汽蚀问题也是航空燃油离心泵研究中亟待解决的难题[1-3]。

图1 叶轮汽蚀照片

1 燃油离心泵汽蚀机理分析

航空燃油离心泵在高转速、大流量工况下，燃油经过叶片时，由于叶片叶型的特性，在叶片进口稍后处会形成低压区，当局部区域的压力低于燃油当时温度下的饱和压力时，会吸收热能发生汽化现象从而析出气泡，且温度升高时原先溶解在燃油的空气也会析出，形成气泡。随着局部压力的降低，气体不断的析出产生气泡并卷带在液流中。

叶轮不断旋转对燃油做功，叶片间从进口到出口过流通道截面也在不断扩大，燃油压力会不断增加，当压力上升到饱和蒸汽压之上时，气泡周围的高压液体致使气泡逐渐缩小以至凝结，在气泡消失的同时，燃油流体质点以高速填充空穴而发生相互碰撞，形成强烈的冲击。当气泡连续破裂时，过流部件就会承受连续的冲击，对过流部件的零件材料表面产生巨大破坏力，造成材料疲劳、破坏，且冲击还会释放大量的能量使气泡周围的环境温度上升，气泡中空气的氧成分也会氧化过流部件的表面，造成材料性质改变、剥离，过流部件产生汽蚀现象。

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，对选择出的组合进行模拟分析，得出各个参数对产品性能的影响情况，可以通过较少的试验次数找出最优的水平组合，是一种高效、便捷的优化设计方法[4-6]。

某航空燃油离心泵现用叶轮为开式叶轮。在保证现有壳体及泵接口不变的前提下，可通过对叶轮进行优化设计，来提高燃油离心泵的抗汽蚀性能。选取叶轮出口直径D2、叶轮出口宽度b2、叶片数Z、叶片厚度H作为试验因素，4个试验因素如图2所示。每个试验因素选取3个合理的水平，正交试验水平表如表1所示。

图2 正交试验参数

表1 正交试验因素水平表

按照L9(34)正交表，不同因素与水平合理均匀地分成9组试验方案，如表2所示。

表2 正交试验方案

3 数值模拟分析

3.1 网格划分

确定9组不同试验方案后，采用UG软件对不同参数的叶轮进行建模，采用PumpLinx软件进行流场仿真分析[7-8]。

在流场仿真过程中，最小网格设置为0.001，最大网格为0.025，可得到高精度的笛卡尔网格，流体仿真模型的总网格数量为210474到245195之间。

网格划分后的几何模型如图3所示。

图3 网格划分后模型

航空离心泵的工作介质为航空燃油，流体参数和边界条件的设置如表3所示。

表3 流体参数和边界条件

3.2 泵汽蚀余量理论计算

离心泵的泵汽蚀余量NPSHr是表征泵汽蚀性能的一个重要参数，表示在不发生空化条件下泵达到的性能参数。离心泵泵汽蚀余量可通过扬程和比转速进行计算。

扬程：

(1)

式中，H—— 扬程，m

p1—— 离心泵进口压力，MPa

p2—— 离心泵出口压力，MPa

v1—— 离心泵进口流速，m/s

v2—— 离心泵出口流速，m/s

ρ—— 密度，kg/m3

g—— 重力加速度，m/s2

比转速:

(2)

式中,n—— 转速，r/min

q—— 流量，m3/s

泵汽蚀余量：

(3)

式中, NPSHr —— 泵汽蚀余量，m

ns—— 比转速

H—— 扬程，m

3.3 正交试验结果

对表2中9组数据进行流场仿真分析时，设定转速为27000 r/min，出口流量为0.012464 m3/s，进口压力为1 MPa，仿真结果得出9组不同参数的离心泵对应的出口压力。通过式(3)计算出泵汽蚀余量。正交试验结果如表4所示。

表4 正交试验结果 m

3.4 极差分析

为了研究所选的试验参数对航空燃油离心泵性能的影响规律，找到主要影响因素及最优方案，对正交试验结果进行了极差分析。极差分析计算公式如式(4)所示。通常情况下，ki越大，说明该水平下的各性能指标越高，R越大，说明该因素对离心泵的工作性能影响越大。

(4)

式中，Ej—— 某一因素的数值

Ki——j个水平因素数值之和

ki—— 每个因素的平均值

R—— 极差

极差分析结果如表5所示。

表5 试验参数对泵汽蚀余量的影响数据分析

选取的4个参数对离心泵泵汽蚀余量影响的主次顺序为D>B>C>A。以离心泵泵汽蚀余量最优作为评价标准，则最优参数组合是A3B2C1D2，即D2=92 mm，b2=7.5 mm，Z=5，H=2.1mm。

4 优化模型数值模拟分析

4.1 优化后离心泵汽蚀余量对比

根据叶轮最优组合参数，采用UG三维建模软件对优化后的叶轮进行三维建模，叶轮三维模型如图4所示。

图4 优化后叶轮模型

对正交试验结果进行极差分析可知，可通过优化叶轮结构参数来降低航空燃油离心泵的泵汽蚀余量，提高燃油离心泵抗汽蚀的能力。

对比不同流量工况下，现用离心泵和参数优化后离心泵的泵汽蚀余量，对比结果如图5所示。优化前、后离心泵泵汽蚀余量随流量变化的趋势基本一致，表明了正交试验优化方法的可行性，仿真分析结果能够较为准确的表达其变化趋势。

图5 泵汽蚀余量-流量曲线对比

对比表6中的优化前、后离心泵泵汽蚀余量试验结果，在不同流量下，优化叶轮参数后的离心泵泵汽蚀余量均小于现用离心泵泵汽蚀余量，达到了优化离心泵的目的。小流量状态下，抗汽蚀性能提升最显著。

表6 优化前后泵汽蚀余量试验结果对比

4.2 蒸汽质量分数模拟

对现用离心泵和参数优化后离心泵的蒸汽质量分数进行仿真分析，参数设置如下：转速27000 r/min，出口流量0.012464 m3/s，进口压力1 MPa。优化后离心泵蒸汽质量分数为0.000404692，现用离心泵蒸汽质量分数为0.000505753。蒸汽质量分数降低了19.98%，说明参数优化后离心泵的抗汽蚀能力显著提升。离心泵蒸汽质量分数仿真结果进一步验证了基于正交试验的离心泵空化性能优化方法的准确性。优化前后叶轮蒸汽质量分数云图如图6和图7所示。

图6 现用叶轮蒸汽质量分数

图7 优化后叶轮蒸汽质量分数

4.3 叶轮强度仿真

优化后的叶轮进行零件加工前，还需使用ANSYS Meshing软件对叶轮进行强度仿真分析，分析叶轮应力集中部位和应力大小，判断参数优化后的叶轮是否满足强度要求[9-12]。

叶轮材料为TC4，其密度ρ=4800 kg/m3，弹性模量E=113 GPa，泊松比μ=0.34；采用四面体非结构化网格；依照仿真精度与网格无关性原则网格尺寸Sizing值设置为0.5 mm；使用contact sizing功能进行局部网格控制；节点总数为327472，网格总数量为192802。叶轮有限元模型如图8所示。

图8 叶轮有限元模型

网格划分完成后，对叶轮圆柱面施加Displacement约束；离心泵在运转过程中，施加RotationalVelocity约束，转速设置为27000 r/min；叶轮叶片施加Pressure约束，力值设置为9 MPa(大于实际受力)并进行计算，输出平均等效应力(Von Mises强度理论)分布云图如图9所示。

图9 平均等效应力分布云图

由图9可知，应力最大部位在叶片上部，最大应力值为170.97 MPa，钛合金TC4材料的屈服强度为860 MPa。所受应力远远小于许用应力，安全系数n=5，叶轮能够满足强度要求。

5 结论

某航空燃油离心泵在使用过程中出现汽蚀现象，采用正交试验法对现用离心泵叶轮进行参数优化设计，通过极差分析得出各参数对离心泵泵汽蚀余量的影响顺序，最终得到一组以泵汽蚀余量最小为目标函数的最优方案。对优化前后的燃油离心泵进行流场仿真，优化后离心泵的泵汽蚀余量变化趋势与现用离心泵的泵汽蚀余量变化趋势一致，证明了用正交试验方法进行离心泵优化设计的可行性。优化后离心泵的蒸汽质量分数比现用离心泵的蒸汽质量分数降低了19.98%，说明优化后的航空燃油离心泵抗汽蚀性能得到了显著提升。

和传统分析方法相比，正交试验和数值模拟相结合的设计方法可以使产品设计者快速得出最优设计方案，有助于减少设计周期和试验成本，为后续离心泵设计提供参考依据。