【摘 要】
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燃油泵是航空航天业中飞行器系统的核心零部件,是整个系统的动力装置。在实际工程应用中,燃油泵的运行环境非常复杂,其叶轮叶片容易发生空化。本文以一台螺旋离心式燃油泵为研究对象,对其叶轮叶片进行了结构优化及三维模型构建。结合燃油泵的空化流动特性,建立了必需空化余量与无量纲化的叶片几何参数之间的数学模型。基于RNG k-ε湍流模型和Zwart空化模型,实现了燃油泵空化数值模拟。通过试验验证和数值模拟相结合
【基金项目】
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国家重点研发计划项目,叶片泵多目标水力设计方法及气液两相增压输送关键技术(2018YFB0606100);
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燃油泵是航空航天业中飞行器系统的核心零部件,是整个系统的动力装置。在实际工程应用中,燃油泵的运行环境非常复杂,其叶轮叶片容易发生空化。本文以一台螺旋离心式燃油泵为研究对象,对其叶轮叶片进行了结构优化及三维模型构建。结合燃油泵的空化流动特性,建立了必需空化余量与无量纲化的叶片几何参数之间的数学模型。基于RNG k-ε湍流模型和Zwart空化模型,实现了燃油泵空化数值模拟。通过试验验证和数值模拟相结合的方法,对燃油泵空化性能进行了分析。获得了燃油泵定常流动特性,考察了叶轮叶片结构对燃油泵空化特性的影响。分析了燃油泵扬程、效率、压力及必需空化余量随着叶片后掠角θ与进口位置系数λ的变化关系。获得具备高抗空化能力的叶轮叶片,从而实现改善燃油泵空化性能的目的。具体研究结论如下:(1)对燃油泵原模型分别进行了试验验证和数值模拟计算,分析了燃油泵空化特性。对燃油泵进行数值计算,发现在0.6Qd工况下燃油泵的必需空化余量NPSHr为2.97m,而从0.6Qd增大到1.2Qd工况的范围内,NPSHr增加了2.36m。观察了叶轮流道内压力、GVF分布及空泡发展状态,可知燃油泵在小流量工况下运行时比在大流量工况下运行时的抗空化能力要强。(2)对燃油泵叶轮叶片设计了后掠角度分别为20°,40°,60°,80°和100°的模型,并与原模型进行比较。分析了这6种方案下燃油泵外特性、空化特性及空化流场的变化关系。为了研究后掠角度与必需空化余量NPSHr之间的关系,建立了相关的函数。随着后掠角度的增大,在0°到60°的变化范围内,相对空化系数NPSHr*从1减小到0.79;后掠角度从60°增大到100°的范围内,NPSHr*增大到1.29。可知叶片后掠60°的燃油泵NPSHr最小,该模型的空化性能最佳。(3)基于空化性能最佳的叶片后掠60°的模型,设计了进口位置系数λ分别为0.2,0.4,0.6,0.8,1的燃油泵叶轮,并与原模型对比。建立了相对空化系数NPSHr*与进口位置系数λ之间的函数关系,进口位置系数λ增大到0.8时,NPSHr*从1降低到0.64,燃油泵空化性能逐渐增强;进口位置系数λ从0.8增大到1时,NPSHr*反而增大到0.75,此时空化性能减弱。设计合理的叶片进口位置系数,可以有效改善燃油泵的空化性能。燃油泵叶片进口边位置系数λ=0.8时必需空化余量最小为3.26m,空化性能最佳。综上所述,对燃油泵叶片进口边后掠角和位置进行改型设计后,发现其抗空化性能有明显的改善。通过对结构的优化设计提高燃油泵空化性能具有重要意义。本文燃油泵叶轮的改型设计为实际工程应用提供了相应的理论支撑和技术支持。
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