高壓燃油離心泵壓力脈動及非定常流動分析

李嘉, 李華聰, 張偉, 王玥, 李柯柯, 王淑紅

(1.長安大學 工程機械學院, 陜西 西安 710064; 2.西北工業大學 動力與能源學院, 陜西 西安 710072;3.陜西空天動力研究院有限公司, 陜西 西安 710000; 4.中國航發西安動力控制科技有限公司, 陜西 西安 710077)

高壓離心泵在航空推進系統中扮演著重要的角色,深入探討和研究高性能燃油離心泵的內部流動機理很有必要[1-2]。在當前大機動飛行、超聲速巡航的工作要求下,泵內存在復雜流動問題[3]。另外,離心泵周而復始的運動特點及其特有的離心結構,使得葉輪、蝸殼內形成了尾跡流、勢干擾、振動、旋轉失速、湍流等極度復雜的流動狀態,內部流場具有強烈且復雜非定常特性[4-6]。因此,很有必要對離心泵的內部流動特點進行深入研究。目前,流體機械研究體系普遍采用準三維通流計算和全三維計算流體力學CFD(computational fluid dynamics)相結合的方法,離心泵中也是如此[7]。然而在當前的技術背景下,離心泵的工作環境更嚴酷、結構更緊湊、間隙效應更明顯,流道的非定常特性也越來越強烈,傳統的定常假設會令性能分析結果產生較大的誤差,制約對離心泵性能潛力的挖掘。因此，有必要逐步將流動的非定常特性納入到泵常規設計體系中[8-10]。因此,越來越多的科研人員對離心泵的非定常特性開展了研究。

對離心泵內部的非定常流動開展了大量的研究,主要包括理論分析、數值研究以及試驗測量3種手段,其中,對泵的壓力脈動及非定常流動結構等研究取得了一定的成果。針對壓力脈動的研究,Zheng等[11]通過數值仿真分析了離心泵間隙內的壓力脈動變化,表明了間隙內壓力脈動的主頻與葉頻相關。周強等[12]深入探索了導葉式離心泵內的靜干涉作用機理,采集了相鄰兩導葉流道進口處壓力脈動信號,得到導葉流道進口處壓力脈動主要為葉頻,并以此形式沿葉輪旋轉方向向下傳播。裴奕凡[13]對離心泵實際運行中的彎管畸變入流問題進行了分析,對泵在不同入流條件下的壓力脈動進行了監測,得到了最優的彎管結構?？梢?由于離心泵的周期性變化,葉輪和蝸殼內均產生了一定的壓力脈動,且不同位置的脈動頻率、脈動強度符合一定的規律。袁建平等[14]對離心泵在小流量時的進口回流進行了仿真分析,表明了葉輪進口的流動狀態可以分為螺旋狀回流、螺旋狀入流和軸向入流,且螺旋狀回流的流動相比于軸線區域的軸向入流更加不穩定。敏政等[15]基于DDES湍流模型和渦動力學對離心泵多工況下的旋渦運動進行了非定常數值模擬,清晰地觀測到了葉輪和蝸殼內的小尺度漩渦。楊紅紅[16]對離心泵進行了全工況的數值模擬,分析了不同結構參數對泵內旋轉失速問題的影響。

總的來看,離心泵內非定常特性呈現的非常明顯,壓力脈動變化、非定常流動結構等均與泵的性能存在著一定的聯系。因此,借助試驗數據以及高精度的仿真技術,對高壓燃油離心泵的壓力脈動變化、非定常流動結構開展細致的分析研究。

1 研究對象

以某型高壓燃油離心泵為對象進行非定常特性的研究。該型離心泵可作為航空發動機的主燃油泵,主要過流部件包括:進口裝置、葉輪和蝸殼。在Cfturbo環境中,進行葉輪和蝸殼的基本結構參數設計,并建立三維模型,圖1為該型泵葉輪及整泵的三維模型。

圖1 離心泵三維模型

2 試驗設置

為了實現高壓燃油離心泵非定常特性的高精度仿真,進行該型泵的樣機試制及性能試驗。試驗時,分別對泵進口、出口壓力進行測量,用來計算泵的揚程。同時,對泵的進口處流量進行測量,用來計算泵的水力效率。通過試驗獲取2個外特性性能參數,與仿真預測結果對比,一方面驗證仿真方法的有效性,另一方面檢驗泵的性能是否符合要求。

試驗中的部分儀器及用途如下:溢流閥用來限定泵進口壓力;比例流量閥用來控制泵的進口流量；壓力變送器和體積流量計分別用來測量泵的出口壓力和輸出流量。

3 非定常仿真設置

3.1 網格劃分

對該型離心泵的流體域進行網格劃分,為了提高計算精度和計算速度,分別對4種網格數量的網格模型進行獨立性檢驗,結果如表1所示?？梢钥闯?當網格由Grid-2變至Grid-3時,揚程和效率誤差小于1%。綜合考慮計算精度和計算時間,最終選用Grid-2為該型泵的計算網格，所建立的網格模型如圖2所示。

表1 網格數量獨立性檢驗結果

圖2 離心泵網格模型

3.2 仿真條件

將建立的網格模型導入PumpLinx，采用有限體積法(FVM)完成對湍流模型三維控制方程的求解。在多重旋轉參考系下(蝸殼為靜態、葉輪為旋轉系),選擇RNGk-ε和SIMPLE算法進行該型離心泵的湍流模型求解。采用二階迎風格式對控制方程進行離散,設置平均殘差值精度為0.000 01。葉片表面相對速度為0,以滿足動靜固壁面為無滑移邊界,同時將近壁面區域設置為標準壁面函數。在葉輪與蝸殼的交互耦合面上,剪切應力相等。

由于進行離心泵瞬態計算的時間較長,為了提高仿真精度和求解效率,需要確定最佳的時間步長(即采樣頻率),因此,進行時間步長的獨立性檢驗,以確定合適的采樣頻率。以離心泵實際運轉5圈為總仿真時間,泵轉速n=28 000 r/min工況為條件進行分析。取每個時間步長中葉輪分別旋轉9°,5°和3°進行仿真,時間步數分別為200,360和600步,采樣頻率分別為18 666,33 600和55 999 Hz。仿真時,以穩態結果作為初始條件進行瞬態計算,以泵的出口壓力監測數據為目標進行3種時間步長下仿真結果的對比。另外,旋轉3圈后仿真結果趨于穩定,因此,選取第3圈的數據進行分析。

當單步旋轉3°(55 999 Hz)時,主頻更接近葉頻,對計算時間和精度折中考慮,選擇該條件為最終仿真時間步長。圖3為3°(55 999 Hz)下出口壓力脈動的頻域分析結果。

圖3 3°(55 999 Hz)出口壓力脈動頻域分析結果

3.3 監測點設置

為了更好地反映離心泵內關鍵部位的非定常流動特性,對泵內的不同位置進行監測,監測點設置示意圖如圖4所示。其中,主要對葉輪及蝸殼流道進行監測。

圖4 監測點設置示意圖

4 結果及分析

4.1 試驗驗證

進行性能試驗并記錄進口壓力pin、出口壓力pout及實際輸出流量Q,與預測泵的揚程H和效率η,進而將試驗結果和仿真預測結果進行對比。值得注意的是,非定常仿真結果均呈現一定的波動,因此,出口壓力、實際流量等均取泵運行第5圈的計算結果。

對仿真與試驗性能結果對比發現整個運行工況下仿真與試驗結果趨勢相似。其中,中間流量工況0.7Qd運行時,揚程和效率的誤差最大(3.6%,4.8%),但均小于5%,符合精度要求。因此,所采用的基于PumpLinx環境下的非定常仿真方法能夠完成該型高壓燃油離心泵的流場仿真分析。

4.2 壓力脈動分析

4.2.1 壓力脈動時頻特性計算

為了對高壓燃油離心泵非定常流動特性進行定量分析,對泵的壓力脈動進行時域和頻域分析。

首先,提取離心泵不同位置的壓力信號,引入無量綱參數壓力脈動系數cp,直觀地反映壓力脈動幅值的大小,進行不同位置壓力脈動大小的對比。進而,基于快速傅里葉變化FFT(fast Fourier transform),完成壓力及壓力脈動系數的時頻轉換,分析其時頻特性。

4.2.2 仿真結果

分析葉輪流道內壓力脈動時頻特性。圖5為監測點徑向排列下壓力及壓力脈動系數時頻域結果。從葉輪進口往外壓力變化趨勢基本一致,壓力幅值從葉輪進口至葉輪出口變大,靠近葉輪出口范圍的監測點壓力幅值和壓力脈動系數最大,分別為11.40 MPa,0.114。同時,單個旋轉周期內壓力呈現8個波峰及8個波谷。5個監測點上的壓力脈動主頻均為468.617 8 Hz,主頻均對應泵的轉頻fn。

圖5 徑向排列下壓力及壓力脈動系數時頻域結果

對蝸殼流道內不同監測點進行壓力脈動時頻特性分析。圖6為蝸殼內不同監測點的壓力及壓力脈動系數時頻域結果?？紤]篇幅,以其中9個點為例進行分析。圖中,蝸殼流道這一區域所有監測點的時頻域變化基本趨勢一致。不同監測點上的壓力脈動主頻均為3 748.942 7 Hz,主頻為8倍的轉頻(8fn),即葉頻fb。

圖6 蝸殼流道壓力及壓力脈動系數時頻域結果

4.3 典型非定常流動結構仿真結果分析

為了更好地呈現該型高壓燃油離心泵的非定常特性,對不同流量工況下的非定常流動結構進行分析,包括:壓力分布、相對速度以及湍動能耗散。

4.3.1 壓力分布

圖7為轉速28 000 r/min,不同流量工況(0.5Qd,0.7Qd,1.0Qd和1.2Qd),軸向中間截面的壓力等值線分布。

圖7 軸向中間截面壓力等值線分布

當流量增加時,葉輪進口區域的低壓區慢慢變大,且尤其在蝸殼隔舌旁的葉輪處變化最為劇烈。在大流量工況(1.2Qd)下,該通道內由于葉尖處的低壓區明顯,導致進口區域的壓力梯度變大,此處易產生葉片進口回流。同時,隨著流量增加,輔助葉片葉尖處的低壓區慢慢形成,但不明顯。蝸殼內,小流量工況下蝸殼和擴散管內壓力更高。大流量工況時蝸殼的梯度緩慢,壓力增加的較為平穩。

4.3.2 相對速度

圖8為轉速28 000 r/min,不同流量工況(0.5Qd,0.7Qd,1.0Qd和1.2Qd),軸向中間截面的相對速度等值線分布。

圖8 軸向中間截面相對速度等值線分布

葉輪各個流道內的相對速度分布都不相同,呈現出較為強烈的非軸對稱性。且非設計工況下,這種流動非軸對稱性比設計工況下更為強烈。在小流量工況(0.5Qd)時,靠近蝸殼出口和隔舌區域的葉輪通道內出現大范圍的高速區,特別是沿著旋轉方向離隔舌區域較近的3個通道內葉輪出口區域被高速流所控制。

4.3.3 湍動能

以泵內的湍動能分布來觀察其流動的穩定程度,通過能量梯度理論分析泵內流動的不穩定性。圖9為轉速28 000 r/min,不同流量工況(0.5Qd,0.7Qd,1.0Qd和1.2Qd),軸向中間截面的湍動能等值線分布。不同流量工況下,泵的湍動能分布整體趨勢基本一致,葉輪內部的湍動能梯度區域主要集中在葉輪出口區域和隔舌角區域,尤其是小流量工況時,湍動能分布范圍較大且強度更為強烈,且葉輪出口區域的湍動能分布更為強烈,這與葉輪出口的“射流-尾跡”結構具有很好的一致性。同時,在葉輪進口尤其是葉尖處均出現了一定的湍動能集中區,但分布范圍不是很大,與葉片葉尖處的“回流”結構具有很好的一致性。此外,在大流量工況下,擴散管內出現了較大范圍的湍動能集中區。

圖9 軸向中間截面湍動能等值線分布

5 結 論

以某型高壓燃油離心泵為對象,基于CFD仿真技術對其非定常特性進行了仿真分析研究,主要分析了全流量工況下不同位置的壓力脈動及非定常流動結構。主要結論如下:

1) 在不同流量工況下進行了性能仿真預測及試驗結果的對比分析,揚程和效率的最大誤差分別為3.6%,4.8%,均小于5%,所采用的仿真方法能夠實現所設計的復合葉輪式燃油離心泵的性能仿真研究。

2) 設計流量工況下葉輪流道內主頻為轉頻fn,蝸殼流道內主頻為葉頻fb,不同的監測點均呈現出相似的脈動變化規律,且相同位置不同監測點的壓力脈動呈現出了相似規律。

3) 設計流量工況下泵內流動相對平穩。小流量工況下葉輪出口處出現了一定的尾跡流動,主要位于靠近隔舌區域的葉輪流道出口位置。同時,與壓力、相對速度分布一致,湍動能分布同樣在集中在葉輪出口及隔舌區域,此處存在一定的水力損失。