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

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 Impeller 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 head 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 impellers 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 high-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 were 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 flow 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;orthogonal 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,ZHOU 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ABCD1A1B1C1D12A1B2C2D23A1B3C3D34A1B4C4D412A3B4C2D15A2B1C2D313A4B1C4D26A2B2C1D414A4B2C3D17A2B3C4D18A2B4C3D216A4B4C1D33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同，得到各方案的扬程和效率见表4。通过对正交试验模拟结果分析可得：除方案1由于因素分配不合理使得扬程未达到设计要求外，其余方案均达到设计要求；其中方案14（出口角=45,叶片数z为5长5短，分流叶片叶片偏置度为0.450，偏转性能起着非常重要的作用。除此之外，通过极差分析还可以得到燃油泵各单Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024表4正交试验结果看出,因素C即分流叶片向主叶片吸力面的偏置度对试验序号扬程H/m效率n/%试验序号扬程 H/m效率n/%179.09281.01382.11484.07582.96681.56786.23885.87角为0)扬程和效率均达到最大值，分别为8 6.2 7 m和12.9%，说明增大叶片出口角、分流叶片叶片向主叶片吸力面偏置有助于提高燃油离心泵的扬程和效率。3.3正交试验极差分析为评价各单因素对燃油泵扬程和效率的影响规律以及影响顺序,择出主要影响因素与最佳组合方案,对正交试验结果进行极差分析。极差分析通过计算某因素某水平的试验数据求和K值以及对应K值的平均值Kavg，进而可以计算出某因素Kavmx与Kavmm的差值，即极差R值,R值反应了某因素随水平变化时的幅度变化,R值越大说明该因素对泵的扬程和效率影响程度越大，极差分析见表5。由极差R值的计算结果可得高速燃油泵复合叶轮各几何参数对扬程和效率的影响顺序略有差异,其中各因素对燃油泵扬程影响的主次顺序为 CABD,各因素对效率影响的主次顺序为CBAD。从影响主次顺序可以指标AK326.28K2336.63K337.62K4333.18K81.57K84.16K84.41K483.30R2.83燃油泵扬程和效率的影响均最大,说明在复合式叶轮中添置分流叶片偏置对于提高超低比转速高速泵水力12.31912.561012.651112.731212.541312.461412.831512.8416H/mB328.58334.22334.39336.5382.1483.5583.6084.131.9984.3185.3783.6084.3482.2286.2782.4582.24表5设计工况下正交试验结果极差分析CD326.50335.94330.77332.70338.56332.69337.89332.4081.6383.9882.6983.1784.6483.1784.4783.103.010.8812.4912.8912.3012.3912.4012.9012.3312.49因素对效率和扬程的影响规律,各单因素均值效应图如图5所示。（1）因素A：随着出口角的增大,泵的扬程出现先增大后减小的趋势，在出口角为30 和40 时，扬程分别为最小值和最大值，随着出口角增大到45,在小流量工况下叶轮流道内发生回流和脱流，扬程又出现下降趋势；对效率而言，当出口角为35时效率达到最大值,而在其他水平下的效率相差不大。（2）因素B:随着叶片数的增加,泵的扬程一直呈上升趋势，在叶片数为4长4中8 短时扬程达到最大值，而效率出现先增大后减小的趋势，在叶片数为5长5短时效率达到最大值。（3）因素C:随着分流叶片向主叶片吸力面的偏置度增大,燃油泵扬程和效率变化趋势基本一致，即出现先上升后下降的趋势，均在偏置度为0.45G时达到最大值，可见分流叶片向主叶片吸力面稍加偏置有利于提高泵的扬程和效率。（4）因素D:泵的扬程在分流叶片出口偏转角取0 时达到最大值，而在其他3个水平下的扬程相差不大；而当分流叶片出口边偏转8 时泵的效率较出口边不偏转略有提升，其他两个水平较分流叶片出口边不偏转时的效率都有所降低，因此分流叶片出口边偏转不当或偏转角度过大都不利于提高泵的效率。AB50.2449.7350.6850.8150.0850.1250.1250.4512.5612.4312.6712.7012.5212.5312.5312.610.150.27n/%49.5749.8250.8950.8412.3912.4612.7212.710.33CD50.4250.1050.5750.0212.6112.5312.6412.500.1455液压气动与密封/2 0 2 4年第1期86858483828180A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 C4 D1 D2 D3 D413.012.812.612.412.212.0A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 C4 D1 D2 D3 D4图5单因素对扬程和效率的影响规律曲线4常规方案与最佳方案结果分析对比对正交试验极差分析结果进行对比后，在保证扬程满足工作要求的基础上，选取4个因素效率的最高水平为最佳设计方案，即选取出口角2为35，叶片数z为5长5短，分流叶片偏置度为0.450,偏转角为8。为使正交试验的改进结果更加直观,本研究取2=30,z=4以及不采用分流叶片的常规设计方案与经过正交试验参数及结构改型后的最佳方案在实际工况Q=0.5m/h下进行定常数值模拟，获取两种方案高速燃油泵的速度场、压力场以及外特性曲线。4.1外特性分析如图6 所示为两种方案在不同工况下的扬程和效率曲线。从Q-H曲线可以看出，最佳方案较常规方案在各个工况下的扬程均有大幅度的提升，且在大流量工况下提升幅度更加明显，在实际工况Q=0.5m/h下的扬程为8 4.8 5m，较常规方案提高10.4%；除此之外，常规方案在小流量范围内的扬程曲线出现较为明显的驼峰现象，而最佳方案在整个模拟工况内的扬程曲线较56为平坦。从Q-曲线可以看出,最佳方案在小流量工况范围内的效率有小幅度提升，在实际工况下效率为13.17%，较常规方案提升4.8%，但随着流量增大，效率提升幅度明显增大，且较常规方案效率曲线最高效率点向大流量方向偏移，使得高效区变宽。110r一最佳方案-H100常规方案-H最焦方案-1一90常规方案-18070/H60(a)扬程均值效应图504030200.40.60.20.8Q/m-h-l图6 接扬程与效率性能曲线Pressure850774697621544468391315238(b)效率均值效应图859684.2P内流场分析如图7 所示为高速离心式燃油泵常规方案与最佳方案在实际工况Q=0.5m/h下的静压分布图。从静压分布图可以看出，在实际工况下两种方案最低压均出现在叶片进口吸力面附近，常规方案低压区在圆周方向呈现四角分布,静压沿径向流道逐渐增大，在叶轮流道内较大尺度旋涡引起的滑移和叶轮出口“尾迹-射流”现象的影响下，叶轮出口处静压梯度变化愈加不均匀,压力梯度变化较大，在靠近蜗壳壁面叶片压力面附近出现局部高压区，且在靠近隔舌部位由于隔舌对叶轮出口液流产生较大的扰动，隔舌附近的静压分布较为乱。最佳方案叶轮进口低压区呈现五边形分布，且低压区在圆周方向的变化更加均匀，静压沿径向流道变大时梯度变化也更加均匀,叶轮出口处压力梯度变小,蜗壳壁面附近的局部高压现象有了明显的好转，尤其在隔舌部位对叶轮出口液流的干扰作用减弱，静压分布紊乱程度有了较大的改善，且泵进出口压差较常规方案明显增大。735352525%/u1510531.01.201.41.61.8(a)常规方案(b)最佳方案图7 中间截面静压分布图Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024如图8 所示为高速燃油泵常规设计方案与最佳设叶轮对流体的控制更加稳定,有效削弱了叶轮流道内计方案在实际工况Q=0.5m/h下中间截面的速度流的大尺度旋涡。线图。从速度流线图可以看出，实际工况下在叶轮进口处两种方案均产生径向分布的局部低速流动，这是由于燃油泵采用半开式叶轮存在间隙泄漏，而间隙泄漏方向与主流方向不一致，在泄漏流和主流的相互混杂作用下产生局部低速流动区域。常规方案叶片吸力侧的相对速度大于最佳方案且高速流动区域范围较大，从而叶片压力侧与吸力侧的压差也较大，由于流道扩散严重以及在小流量工况运行时叶片进口处来流液流角与叶片进口安放角不一致即在较大进口冲角的影响下，叶轮流道内产生了较大的分离流动以及较大尺度的旋涡,几乎占了径向流道的二分之一,且液流相对速度方向在叶片出口附近几乎呈圆周方向分布；而最佳方案叶片吸力侧速度相对较小，虽然各个流道内也存在旋涡，但旋涡尺度明显减小，流动分离现象和叶轮出口液流的出流状况有了较好的改善。velooay3023105结论（1）本研究采用正交试验的方法，分析了复合叶轮主要因素2,z,及对高速燃油泵性能指标的影响规律,同时得到各因素对泵扬程和效率的主次影响顺序,即对扬程的影响顺序为 CABD,对效率的影响顺序为 CBAD。（2）将正交试验得到的最佳方案与常规无分流叶片设计方案的外特性指标进行对比后得出：最佳方案各个工况扬程和效率均有提升,其中在实际工况Q=0.5m/h下，扬程较常规方案提升10.4%，效率提升4.8%,且Q-H曲线更加平坦，Q-m曲线最高效率点向大流量工况方向偏移。（3）最佳方案压力分布与速度分布均匀性更好，引用本文：徐金鹏，杨军虎，周鹏程，等.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 J.液压气动与密封,2 0 2 4,44（1）：52-57.XU Jinpeng,YANG Junhu,ZHOU Pengcheng,et al.The Study on the Effects of Composite Impeller Outlet Angle and Splitter Blade Offsetson the Performance of High-speed Fuel Pumps J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(1):52-57.57参考文献1CHABANNES L,STEFAN D,RUDOLF P.Effect of SplitterBlades on Performances of a Very Low Specific Speed PumpJ.Energies(Basel),2021,14(13):3785.2王玥，李华聪，王淑红，等.复合叶片对小流量工况下燃油离心泵非定常特性的影响J.推进技术，2 0 2 2（7）：355-362.3袁寿其，王文杰，裴吉，等.低比转数离心泵的多目标优化设计 J.农业工程学报,2 0 15,31（5）：46-52.4张金凤，王文杰，方玉建，等.分流叶片离心泵非定常流动及动力学特性分析 J.振动与冲击,2 0 14（2 3）：37-41.5崔宝玲，许文静，朱祖超，等.低比转速复合叶轮离心泵内的非定常流动特性J.化工学报，2 0 11,6 2（11）：30 93-3100.6郭维，白东安.液体火箭发动机用超低比转速离心泵优化设计 J.火箭推进,2 0 11,37(5):19-2 3.7YANG Y,ZHOU L,ZHOU H,et al.Optimal Design of SlitImpeller for Low Specific Speed Centrifugal Pump Based onOrthogonal Test J.Jo u r n a l o f M a r i n e Sc i e n c e a n dEngineering,2021,9(2);1-17.8LCU M G,PANCAR Y,SEKMEN Y.Energy Saving in aDeep Well Pump with Splitter Blade J.Energy Conversion&Management,2006,47(5):638-651.(a)常规方案(b)最佳方案图8 中间截面速度流线分布图9SIDDIQUE M H,SAMAD A,HOSSAIN S.Centrifugal PumpPerformance Enhancement:Effect of Splitter Blade andOptimization J.Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers,Part A:Journal of Power and Energy,2022,236(2):391-402.10 袁寿其，曹武陵.低比速泵加大流量设计的实践 J.水泵技术,19 9 2(3):43-46.11朱祖超，程常杰.超低比转速离心泵设计概述 J.水泵技术,19 9 9(3):7 -9.12贺青，李晶晶,高妮，等.航空燃油离心泵抗汽蚀优化设计及仿真 J.液压与气动,2 0 2 1（1）:6 7-7 2.13潘中永,袁寿其,刘瑞华，等.离心泵复合叶轮短叶片偏置设计研究 J.排灌机械,2 0 0 4（3）：1-4.14沈艳宁,袁寿其,陆伟刚，等.复合叶轮离心泵数值模拟正交试验设计方法 J.农业机械学报,2 0 10,41(9）：2 2-2 6.15齐学义,胡家昕，田亚斌.超低比转速高速离心泵复合式叶轮的正交设计 J.排灌机械，2 0 0 9,2 7（6）：341346.