一种新型的高速燃油离心泵.pdf

本发明涉及一种新型的高速燃油离心泵，该离心泵主要包括：侧向的进口装置，作为主要工作部分的叶轮，将上述叶轮包围起来的泵涡室，以及位于泵涡室一端的出口装置，其中，上述出口装置具有排出管，上述排出管与上述泵涡室之间为平滑切线连接。平滑切线连接排出管与泵涡壳的出口设计方案将有效抑制气蚀的形成，并可以改善离心泵的性能。通过多种计算方法相互校验以及实验验证，证明该新型高速燃油离心泵技术上可行。

1.  一种新型的高速燃油离心泵，该离心泵包括：
侧向的进口装置，
作为主要工作部分的叶轮，
将上述叶轮包围起来的泵涡室，以及
位于泵涡室一端的出口装置，
其中，上述出口装置具有排出管，
其特征在于：
上述排出管与上述泵涡室之间为平滑切线连接。

2.  根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于上述离心泵的参数如下：
转速为20000～30000r/min；流量范围为12000～46000kg/h；进口压力为0.3～1.1MPa；压差为6.0～9.0MPa；最大消耗功率为300kW。

3.  根据权利要求1或2所述的离心泵，其特征在于上述泵涡室呈渐开线形状。

4.  根据权利要求3所述的离心泵，其特征在于上述离心泵的介质为燃油。

一种新型的高速燃油离心泵
技术领域
本发明涉及机械制造领域，尤其涉及一种新型的高速燃油离心泵。
背景技术
几十年来，世界各国一直竞相研究和发展高性能的航空发动机控制系统，以满足越来越复杂的先进发动机控制功能要求。美国航空航天局的一体化高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划所制定的目标和指导方针，基本代表了现在和未来世界各国航空发动机及其控制系统的发展方向。
航空发动机控制系统主要完成发动机燃烧室供油控制和各种可变几何的控制等功能，离心式燃油泵(以下简称离心泵)作为控制系统中的油源泵，以其特有的功能成为发动机控制系统重要的装置。离心泵主要由侧向的进口装置1、作为主要工作部分的叶轮2、将上述叶轮包围起来的泵涡室4和位于涡室一端的出口装置3组成，其外形结构如图1所示。
高性能发动机的发展对离心泵提出了大流量、高转速、高压比、耐高温、抗振和工作可靠性高等要求。因油源泵直接影响发动机的性能和寿命，目前世界各国普遍采用离心泵，其主要特点有：(1)比重量低(单位流量的泵质量)、结构简单、流量大、抗脏性强、工作可靠、压力和流量平稳、成本低；(2)具有泵后节流的负载特性，便于流量调节和组成系统；(3)具有平缓的负载特性，给燃油计量及压差节流设计带来益处。
离心泵的上述优点使其在航空航天、航海和一般民用工业中获得了广泛的应用，但是离心泵的气蚀问题一直是研制中的一个难点。特别指出的是，目前以燃油为介质的高压、大流量、高转速离心泵在美国、俄罗斯、中国航空燃气涡轮发动机上有所使用，但产品中的气蚀问题仍时有发生，需要有效的分析、研究和解决，否则此故障将危及飞机安全，甚至出现机毁人亡。
气蚀是影响离心泵增压性能、可靠性、使用寿命的严重问题。当离心泵叶轮进口压力低于油源温度下的饱和蒸气压时，叶轮中的液体产生汽化，同时原溶于液体中的气体不断游离出来，液体中产生气泡。气泡伴随液体运动到达叶轮的高压区时，受压破裂，产生很强的液体冲击现象，并伴有化学反应，对叶轮产生很大的破坏，影响泵的性能，缩短泵的寿命。
研究表明，气蚀包括空化和空蚀两个过程。空化是液体中形成的空穴，空穴中是流体的蒸气。在液体流动过程中，流速加大，使压力降低。当局部地方的液体压力降到当地温度下的饱和蒸汽压力时，液体发生沸腾，形成气泡，随后气泡流到高压区又被压缩，溃灭，引起液体冲击和振动。空穴的初生、发育、成长到溃灭的整个过程，既可能发生在液体内部，也可能发生在固体边界上，这就造成了金属表面的金属颗粒的剥落和腐蚀。伴随着气蚀过程，还存在有热力学和电化学作用，化学腐蚀、金属颗粒磨损等相互作用，使材料加速破坏。
当气泡大量产生，气蚀持续发展时，会对泵造成严重后果和危害，主要有：
(1)泵的性能突然下降
泵发生气蚀时使流体介质连续性受到破坏，泵的扬程、流量、效率(H-q_m曲线，n-q_m曲线)都会急剧下降，导致泵不能连续正常工作；
(2)泵产生振动和噪音
气泡溃灭时，产生强烈的水击，因流体质点间相互冲击和对流道壁面的强烈冲击会产生宽频带的噪声，甚至能听到“劈劈啪啪”的爆炸声，并引起泵的振动，造成泵不能正常工作；
(3)对过流部件的侵蚀
气蚀对材料的侵蚀是迅速而严重的，可使流道部件(主要是叶轮)变成蜂窝状或海绵状，严重的表面被蚀透、穿透。
图2(a)为某一种混流泵铝合金叶片的小范围气蚀破坏的照片，图2(b)则是离心泵涡室遭受气蚀破坏的照片，这里气蚀极度恶劣，已经穿透叶片。图2(c)显示的是美国亚利桑那州Hoover大坝一条水泥泄洪管道的气蚀破坏，其中的腐蚀空洞居然有35米长、9米宽和13.7深。图2(d)展示了某离心泵叶轮毂和底盘的气蚀破坏的照片。
近十几年来，离心泵叶轮内部湍流流动数值计算取得了较大的发展。1986年，Tanabe等用有限元法数值计算了离心泵叶轮内部的湍流流动，1992年Shi Qingping等和Goede等先后发表了离心泵叶轮内部湍流流动数值计算成果。1996年孙自祥与吴玉林采用分块隐式数值方法和考虑科氏力修正的湍流模型，在直叶片简化下对离心泵叶轮内部湍流流动进行了数值模拟。付强等作了关于扭曲叶片离心泵叶轮内三维湍流数值模拟的研究。
钱健基于N-S方程和标准的双方程紊流模型，采用商用CFX-TASCflow计算软件对离心泵叶轮模型进行了叶轮内部三维紊流数值模拟，得到三个典型工况下、从轮毂到前盖板每一个断面上的速度和压力分布。通过与该叶轮内流场的激光粒子图象速度场仪—PIV实验结果比较，初步分析了离心泵叶轮的气蚀和能量特性。
上述研究中对离心泵内湍流、两相流动及其气蚀形成的机理、物理过程、实验测量等方面进行了研究，然而这些成果中仍然存在许多不足或者不完善之处，主要包括：(1)绝大多数的仿真计算都未考虑排出管的影响，其中大部分只计算叶轮叶片间的一个流道；(2)上述研究工质一般为水或者泥沙的水，涉及燃油工质的研究和文献很少；(3)目前研究多局限于工作压力范围比较小，而对于压头大，小流量研究不多，而高压力状态下的气蚀发展过程与低压力下明显有别；(4)采用先进手段，针对以燃油为介质的高旋转的高压大流量离心泵数值仿真研究不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能克服上述问题的新型的高速燃油离心泵。
本发明提供了一种新型的高速燃油离心泵，该离心泵包括：侧向的进口装置，作为主要工作部分的叶轮，将上述叶轮包围起来的泵涡室，以及位于泵涡室一端的出口装置，其中，上述出口装置具有排出管，上述排出管与上述泵涡室之间为平滑切线连接。
上述离心泵的参数如下：转速为20000～30000r/min；流量范围为12000～46000kg/h；进口压力为0.3～1.1MPa；压差为6.0～9.0MPa；最大消耗功率为300kW。
上述泵涡室可以呈渐开线形状。
上述离心泵的介质为燃油。
平滑切线连接排出管与泵涡壳的出口设计方案将有效抑制气蚀的形成，并可以改善离心泵的性能。通过多种计算方法相互校验以及实验验证，证明新型高速燃油离心泵出口方案技术上可行。
附图说明
图1是现有离心泵的外形结构图；
图2(a)是某种混流泵铝合金叶轮叶片遭受小范围气蚀破坏的图片；
图2(b)是离心泵涡室遭受气蚀破坏的图片；
图2(c)是美国亚利桑那州Hoover大坝某水泥泄洪管道遭受气蚀破坏的图片；
图2(d)是某离心泵叶轮毂和底盘遭受气蚀破坏的图片；
图3是泵在额定工况下的流场的速度大小分布图；
图4是泵在额定工况下的流场的湍动能分布图；
图5(a)所示为三维流体力学仿真离心泵受气蚀破坏的仿真结果；
图5(b)所示为实物离心泵遭受气蚀破坏的情形；
图6表示本发明的优选实施例的离心泵的外形结构图；
图7表示本发明的优选实施例的离心泵的结构示意图；
图8(a)表示现有离心泵在n＝27000rpm，Qm＝10kg/h的额定工况下的截面静压分布；
图8(b)表示本发明的离心泵在n＝27000rpm，Qm＝10kg/h的额定工况下的截面静压分布；
图9(a)表示本发明的离心泵与现有离心泵在n＝9000rpm的条件下的压升-流量特性线图；
图9(b)表示本发明的离心泵与现有离心泵在n＝18000rpm的条件下的压升-流量特性线图；
图9(c)表示本发明的离心泵与现有离心泵在n＝23000rpm的条件下的压升-流量特性线图；
图9(d)表示本发明的离心泵与现有离心泵在n＝27000rpm的条件下的压升-流量特性线图；
图10(a)表示本发明的离心泵在n＝9000rpm的条件下不同流量的压升特性曲线数据；
图10(b)表示本发明的离心泵在n＝18000rpm的条件下不同流量的压升特性曲线数据；
图10(c)表示本发明的离心泵在n＝23000rpm的条件下不同流量的压升特性曲线数据；
图10(d)表示本发明的离心泵在n＝27000rpm的条件下不同流量的压升特性曲线数据；
图10(e)表示本发明的离心泵在n＝30000rpm的条件下不同流量的压升特性曲线数据；
图11是根据图10的本发明的离心泵在不同转速下的压升-流量特性仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明所述的一种新型高速燃油离心泵作进一步的详细说明。
在一个实施例中，本发明以具有下述参数及参数范围的离心泵作为改进对象：转速在20000r/min以上、例如是20000r/min至30000r/min；流量范围为12000～46000kg/h；进口压力为0.3～1.1MPa；压差为6.0～9.0Mpa、例如为7.0MPa；最大消耗功率为300kW；离心泵介质为燃油、例如是2号航空煤油。
本发明采用先进的仿真手段、先进的仿真方法进行三维流场模拟，得到可靠的三维数学模型；再现了离心泵气蚀故障，并分析、研究气蚀机理，提出新型高速燃油离心泵出口装置。主要表现在以下四方面：
第一，先进的仿真手段表现在采用最新版国际先进软件：如UG(Unigraphics)NX 4.0、FLUENT、CFX和NUMECA8.6等。
第二，先进的仿真方法体现在不仅建立了静止参考系下和回转非惯性系下不同形式的泵内相对流动的数学模型，还在描述气蚀工况的多相流模型和气蚀模型中，考虑了体积分数和气蚀质量源项的气泡动力学模型。运用混合两相流模型，并引入气蚀模型，研究了高速燃油离心泵燃油流动过程和气蚀形成的条件和发生地点，得到泵的压力-流量特性曲线和非气蚀工况时稳态静压场分布。
先进的仿真方法还体现在采用不同软件FLUENT、CFX和NUMECA来建立和验证数学模型在无气蚀和有气蚀情况下运行的正确性。然后再经过与离心泵的试验特性和使用结果相比较，误差约在5％以内。提高了数学模型的可靠性和三维仿真的可参考性，为离心泵进一步应用研究奠定了重要基础。
第三，本发明再现了高速燃油离心泵气蚀发生和发展过程，发现了高速燃油离心泵气蚀产生的原因、特点、形成的条件。即，使用多参考系模型得到稳态非气蚀流场，然后作为初始条件引入滑移网格技术，同时加入气蚀模型对气蚀全过程进行动态仿真。不仅良好地模拟出泵腔内空泡初生、发展、消失的动态全过程，发现了动态压力场和气泡体积分数场周期性发展规律，是由出口装置引起的。
第四，针对上述研究结果，提出优化后的高速燃油泵出口修改设计方案。
在研究泵在额定工况下的流场时发现，压力最低点位置是叶轮进口的吸力面前沿，根据气蚀发生的原理，静压的极低点将首先发生空化和气蚀，可以预测这将是气蚀初生点。此外，泵蜗室出口到尾流段进口流道两侧是压力极低点，也是气蚀容易发生的位置。
速度分布如图3所示，在涡室出口处出现速度极低区域，在图4的湍动能分布中表现为涡室出口处湍流极强，尤其是在接近出口处的叶片的压力面附近，出现了湍流极强点，这些都为空化和气蚀提供了条件。从图4还可以看出，出口处出现了比较强的漩涡，燃油流动受阻，燃油很难“畅快”地流出涡室。
由压力场计算可见，易气蚀的“危险区”为靠近蜗室出口一侧的叶轮进口。
当压力降低至某一值时，会直接从叶轮中心周向发生大面积的空蚀，形成环绕中心的大空泡。蜗室出口流道两侧也产生一定范围气蚀，这与稳态压力分布预测完全吻合。图5所示为离心泵气蚀破坏的情形，可见图5(a)所示的三维流体力学仿真结果与图5(b)所示的实物气蚀情况符合良好。
上述计算分析得出结论：离心泵排出管处于涡室的相对位置不合理，导致其内液体流动异常，比如产生脱流，漩涡，分离等现象，这些都在很大程度上加剧了气蚀的发生。本发明重新设计了出口装置的排出管与泵涡壳的连接形式，即将图1中所示的出口装置的排出管与泵涡壳的凹陷连接改进为如图6所示的平滑切线连接。
在另一实施例中，离心泵如图7所示，除了出口装置的排出管与泵涡壳的平滑切线连接之外，泵涡室呈渐开线形状，在出口位置处达到渐开线的最大值。
为了证实新型离心泵出口装置的正确性，本发明对新出口方案的高速燃油离心泵进行了三维可行性分析计算和实验验证。
(1)本发明的离心泵气蚀问题得以改善
图8(a)和图8(b)分别是现有离心泵和本发明的离心泵在n＝27000rpm，Q_m＝10kg/h的额定工况下的截面静压分布。可以看出，现有泵在涡室出口位置有一块贴近壁面的低压带，这一区域基本上覆盖了整个泵出口和涡室出口壁面；相比之下，本发明的离心泵出口处低压区明显减小，而且位置已经向工作叶轮方向移动，不再附着在涡室壁面上。
这一个低压区的偏移对于回避涡室壁面的气蚀有举足轻重的作用，因为涡室和工作轮材质不同，抵抗气蚀能力不同。通常涡室周边为铸造，材质抗气蚀的能力差，工作轮和涡室中心表面均有抗气蚀镀膜，因此低压区的偏移使空化发生区域偏离涡室的周边壁面，靠近抗气蚀能力较强的工作轮和涡室中心表面，使离心泵的寿命大大提高。
(2)本发明的离心泵性能得以改善
本发明还对新出口方案高速燃油离心泵进行三维非气蚀计算，同时比较其泵特性和流场。新型高速燃油离心泵压升-流量(ΔP-Q_m)特性线和原泵的特性比较见图9(a)～9(b)所示，其中仿真模型同样采用ICEM/CFX，物理模型、数值模型、边界条件设置相同。
由图9(a)～9(b)可以看出，除了小流量的几个点，无论是低转速(泵启动阶段)，还是较高转速(额定工况)，在正常流量范围内，新型泵都比原泵的压升有很大的提升。
(3)本发明的离心泵试验验证
对不同转速，不同出口质量流量Q_m进行模拟，可以得到不同的压升特性，其中压升为离心泵出口截面总压和离心泵进口截面总压按照质量流量的平均之差。图10(a)至图10(e)为5种不同转速下的压升-流量特性曲线数据。由图10(a)至图10(e)以及图11可以看出：
①对于同一转速，本发明的离心泵压升-流量曲线基本上呈现理想的开口朝下的抛物线规律，这一点与理论曲线的吻合较好。
②对于同一个流量，转速越高，压升值越大，与泵特性相一致。
③对于本发明的低比转速下存在的小流量工况压力不稳定的问题，属于此类离心泵的固有特性。
④额定转速下的仿真结果与试验结果吻合较好。试验压升值略低是因为仿真中未考虑叶轮与涡室间的流动损失。
综上，平滑切线连接排出管与泵涡壳的出口设计方案将有效抑制气蚀的形成，并可以改善离心泵的性能。通过多种计算方法相互校验以及实验验证，证明新型高速燃油离心泵出口方案技术上可行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换的，均应涵盖在本发明的权利要求的保护范围当中。