專利名稱：一種新型的高速燃油離心泵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機械制造領域，尤其涉及一種新型的高速燃油離心泵。
背景技術：
幾十年來，世界各國一直競相研究和發(fā)展高性能的航空發(fā)動機控制系統(tǒng)，以滿足越來越復雜的先進發(fā)動機控制功能要求。美國航空航天局的一
體化高性能渦輪發(fā)動機技術(IHPTET)計劃所制定的目標和指導方針，基本代表了現(xiàn)在和未來世界各國航空發(fā)動機及其控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。
航空發(fā)動機控制系統(tǒng)主要完成發(fā)動機燃燒室供油控制和各種可變幾何的控制等功能，離心式燃油泵(以下簡稱離心泵)作為控制系統(tǒng)中的油源泵，以其特有的功能成為發(fā)動機控制系統(tǒng)重要的裝置。離心泵主要由側向的進口裝置1、作為主要工作部分的葉輪2、將上述葉輪包圍起來的泵渦室4和位于渦室一端的出口裝置3組成，其外形結構如圖l所示。
高性能發(fā)動機的發(fā)展對離心泵提出了大流量、高轉(zhuǎn)速、高壓比、耐高溫、抗振和工作可靠性高等要求。因油源泵直接影響發(fā)動機的性能和壽命，目前世界各國普遍采用離心泵，其主要特點有(1)比重量低(單位流量的泵質(zhì)量)、結構簡單、流量大、抗臟性強、工作可靠、壓力和流量平穩(wěn)、成本低；(2)具有泵后節(jié)流的負載特性，便于流量調(diào)節(jié)和組成系統(tǒng)；(3)具有平緩的負載特性，給燃油計量及壓差節(jié)流設計帶來益處。
離心泵的上述優(yōu)點使其在航空航天、航海和一般民用工業(yè)中獲得了廣泛的應用，但是離心泵的氣蝕問題一直是研制中的一個難點。特別指出的是，目前以燃油為介質(zhì)的高壓、大流量、高轉(zhuǎn)速離心泵在美國、俄羅斯、中國航空燃氣渦輪發(fā)動機上有所使用，但產(chǎn)品中的氣蝕問題仍時有發(fā)生，需要有效的分析、研究和解決，否則此故障將危及飛機安全，甚至出現(xiàn)機
3毀人亡。
氣蝕是影響離心泵增壓性能、可靠性、使用壽命的嚴重問題。當離心泵葉輪進口壓力低于油源溫度下的飽和蒸氣壓時，葉輪中的液體產(chǎn)生汽化，同時原溶于液體中的氣體不斷游離出來，液體中產(chǎn)生氣泡。氣泡伴隨液體運動到達葉輪的高壓區(qū)時，受壓破裂，產(chǎn)生很強的液體沖擊現(xiàn)象，并伴有化學反應，對葉輪產(chǎn)生很大的破壞，影響泵的性能，縮短泵的壽命。
研究表明，氣蝕包括空化和空蝕兩個過程?？栈且后w中形成的空穴，空穴中是流體的蒸氣。在液體流動過程中，流速加大，使壓力降低。當局部地方的液體壓力降到當?shù)販囟认碌娘柡驼羝麎毫r，液體發(fā)生沸騰，形成氣泡，隨后氣泡流到高壓區(qū)又被壓縮，潰滅，引起液體沖擊和振動?？昭ǖ某跎?、發(fā)育、成長到潰滅的整個過程，既可能發(fā)生在液體內(nèi)部，也可能發(fā)生在固體邊界上，這就造成了金屬表面的金屬顆粒的剝落和腐蝕。伴隨著氣蝕過程，還存在有熱力學和電化學作用，化學腐蝕、金屬顆粒磨損等相互作用，使材料加速破壞。
當氣泡大量產(chǎn)生，氣蝕持續(xù)發(fā)展時，會對泵造成嚴重后果和危害，主要有:
(1) 泵的性能突然下降
泵發(fā)生氣蝕時使流體介質(zhì)連續(xù)性受到破壞，泵的揚程、流量、效率(//-^曲線，n-^曲線)都會急劇下降，導致泵不能連續(xù)正常工作；
(2) 泵產(chǎn)生振動和噪音
氣泡潰滅時，產(chǎn)生強烈的水擊，因流體質(zhì)點間相互沖擊和對流道壁面的強烈沖擊會產(chǎn)生寬頻帶的噪聲，甚至能聽到"劈劈啪啪"的爆炸聲，并引起泵的振動，造成泵不能正常工作；
(3) 對過流部件的侵蝕
氣蝕對材料的侵蝕是迅速而嚴重的，可使流道部件(主要是葉輪)變成蜂窩狀或海綿狀，嚴重的表面被蝕透、穿透。
圖2 (a)為某一種混流泵鋁合金葉片的小范圍氣蝕破壞的照片，圖2(b)則是離心泵渦室遭受氣蝕破壞的照片，這里氣蝕極度惡劣，已經(jīng)穿
透葉片。圖2 (c)顯示的是美國亞利桑那州Hoover大壩一條水泥泄洪管 道的氣蝕破壞，其中的腐蝕空洞居然有35米長、9米寬和13.7深。圖2
(d)展示了某離心泵葉輪轂和底盤的氣蝕破壞的照片。
近十幾年來，離心泵葉輪內(nèi)部湍流流動數(shù)值計算取得了較大的發(fā)展。 1986年，Tanabe等用有限元法數(shù)值計算了離心泵葉輪內(nèi)部的湍流流動， 1992年Shi Qingping等和Goede等先后發(fā)表了離心泵葉輪內(nèi)部湍流流動數(shù) 值計算成果。1996年孫自祥與吳玉林采用分塊隱式數(shù)值方法和考慮科氏力 修正的湍流模型，在直葉片簡化下對離心泵葉輪內(nèi)部湍流流動進行了數(shù)值 模擬。付強等作了關于扭曲葉片離心泵葉輪內(nèi)三維湍流數(shù)值模擬的研究。
錢健基于N-S方程和標準的k-e雙方程紊流模型，采用商用 CFX-TASCflow計算軟件對離心泵葉輪模型進行了葉輪內(nèi)部三維紊流數(shù)值 模擬，得到三個典型工況下、從輪轂到前蓋板每一個斷面上的速度和壓力 分布。通過與該葉輪內(nèi)流場的激光粒子圖象速度場儀一PIV實驗結果比較，
初步分析了離心泵葉輪的氣蝕和能量特性。
上述研究中對離心泵內(nèi)湍流、兩相流動及其氣蝕形成的機理、物理過 程、實驗測量等方面進行了研究，然而這些成果中仍然存在許多不足或者 不完善之處，主要包括(l)絕大多數(shù)的仿真計算都未考慮排出管的影響， 其中大部分只計算葉輪葉片間的一個流道；(2)上述研究工質(zhì)一般為水或 者泥沙的水，涉及燃油工質(zhì)的研究和文獻很少；(3)目前研究多局限于工 作壓力范圍比較小，而對于壓頭大，小流量研究不多，而高壓力狀態(tài)下的 氣蝕發(fā)展過程與低壓力下明顯有別；(4)采用先進手段，針對以燃油為介 質(zhì)的高旋轉(zhuǎn)的高壓大流量離心泵數(shù)值仿真研究不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能克服上述問題的新型的高速燃油離心泵。
本發(fā)明提供了一種新型的高速燃油離心泵，該離心泵包括側向的進
5口裝置，作為主要工作部分的葉輪，將上述葉輪包圍起來的泵渦室，以及 位于泵渦室一端的出口裝置，其中，上述出口裝置具有排出管，上述排出 管與上述泵渦室之間為平滑切線連接。
上述離心泵的參數(shù)如下轉(zhuǎn)速為20000~30000r/min;流量范圍為 12000~46000kg/h;進口壓力為0.3 1.1MPa;壓差為6.0 9.0MPa;最大消 耗功率為300kW。
上述泵渦室可以呈漸開線形狀。 上述離心泵的介質(zhì)為燃油。
平滑切線連接排出管與泵渦殼的出口設計方案將有效抑制氣蝕的形 成，并可以改善離心泵的性能。通過多種計算方法相互校驗以及實驗驗證， 證明新型高速燃油離心泵出口方案技術上可行。


圖l是現(xiàn)有離心泵的外形結構圖2 (a)是某種混流泵鋁合金葉輪葉片遭受小范圍氣蝕破壞的圖片； 圖2 (b)是離心泵渦室遭受氣蝕破壞的圖片；
圖2 (c)是美國亞利桑那州Hoover大壩某水泥泄洪管道遭受氣蝕破壞 的圖片；
圖2 (d)是某離心泵葉輪轂和底盤遭受氣蝕破壞的圖片；
圖3是泵在額定工況下的流場的速度大小分布圖4是泵在額定工況下的流場的湍動能分布圖5 (a)所示為三維流體力學仿真離心泵受氣蝕破壞的仿真結果；
圖5 (b)所示為實物離心泵遭受氣蝕破壞的情形；
圖6表示本發(fā)明的優(yōu)選實施例的離心泵的外形結構圖7表示本發(fā)明的優(yōu)選實施例的離心泵的結構示意圖8 (a)表示現(xiàn)有離心泵在n-27000rpm， Qm-10kg/h的額定工況下的截面靜壓分布；
圖8 (b)表示本發(fā)明的離心泵在i^27000rpm， Qm-10kg/h的額定工況 下的截面靜壓分布；
圖9 (a)表示本發(fā)明的離心泵與現(xiàn)有離心泵在11=9000 rpm的條件下的 壓升-流量特性線圖9 (b)表示本發(fā)明的離心泵與現(xiàn)有離心泵在11= 18000 rpm的條件下 的壓升-流量特性線圖9 (c)表示本發(fā)明的離心泵與現(xiàn)有離心泵在11= 23000 rpm的條件下 的壓升-流量特性線圖9 (d)表示本發(fā)明的離心泵與現(xiàn)有離心泵在n-27000 rpm的條件下 的壓升-流量特性線圖IO (a)表示本發(fā)明的離心泵在r^ 9000 rpm的條件下不同流量的壓 升特性曲線數(shù)據(jù)；
圖IO (b)表示本發(fā)明的離心泵在n- 18000 rpm的條件下不同流量的壓 升特性曲線數(shù)據(jù)；
圖IO (c)表示本發(fā)明的離心泵在11= 23000 rpm的條件下不同流量的壓 升特性曲線數(shù)據(jù)；
圖IO (d)表示本發(fā)明的離心泵在11= 27000 rpm的條件下不同流量的壓 升特性曲線數(shù)據(jù)；
圖IO (e)表示本發(fā)明的離心泵在11= 30000rpm的條件下不同流量的壓 升特性曲線數(shù)據(jù)；
圖ll是根據(jù)圖10的本發(fā)明的離心泵在不同轉(zhuǎn)速下的壓升-流量特性仿 真曲線圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例，對本發(fā)明所述的一種新型高速燃油離心泵作進 一步的詳細說明。在一個實施例中，本發(fā)明以具有下述參數(shù)及參數(shù)范圍的離心泵作為改
進對象轉(zhuǎn)速在20000r/min以上、例如是20000r/min至30000r/min;流量 范圍為12000 46000kg/h;進口壓力為0.3 1.1MPa;壓差為6.0 9.0Mpa、 例如為7.0MPa;最大消耗功率為300kW;離心泵介質(zhì)為燃油、例如是2 號航空煤油。
本發(fā)明采用先進的仿真手段、先進的仿真方法進行三維流場模擬，得 到可靠的三維數(shù)學模型；再現(xiàn)了離心泵氣蝕故障，并分析、研究氣蝕機理， 提出新型高速燃油離心泵出口裝置。主要表現(xiàn)在以下四方面
第一，先進的仿真手段表現(xiàn)在采用最新版國際先進軟件如UG
(Unigraphics)NX4.0、 FLUENT、 CFX和NUMECA8.6等。
第二，先進的仿真方法體現(xiàn)在不僅建立了靜止參考系下和回轉(zhuǎn)非慣性 系下不同形式的泵內(nèi)相對流動的數(shù)學模型，還在描述氣蝕工況的多相流模 型和氣蝕模型中，考慮了體積分數(shù)和氣蝕質(zhì)量源項的氣泡動力學模型。運 用混合兩相流模型，并引入氣蝕模型，研究了高速燃油離心泵燃油流動過 程和氣蝕形成的條件和發(fā)生地點，得到泵的壓力-流量特性曲線和非氣蝕 工況時穩(wěn)態(tài)靜壓場分布。
先進的仿真方法還體現(xiàn)在采用不同軟件FLUENT、 CFX和NUMECA 來建立和驗證數(shù)學模型在無氣蝕和有氣蝕情況下運行的正確性。然后再經(jīng) 過與離心泵的試驗特性和使用結果相比較，誤差約在5%以內(nèi)。提高了數(shù) 學模型的可靠性和三維仿真的可參考性，為離心泵進一步應用研究奠定了 重要基礎。
第三，本發(fā)明再現(xiàn)了高速燃油離心泵氣蝕發(fā)生和發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)了 高速燃油離心泵氣蝕產(chǎn)生的原因、特點、形成的條件。即，使用多參考系 模型得到穩(wěn)態(tài)非氣蝕流場，然后作為初始條件引入滑移網(wǎng)格技術，同時加 入氣蝕模型對氣蝕全過程進行動態(tài)仿真。不僅良好地模擬出泵腔內(nèi)空泡初 生、發(fā)展、消失的動態(tài)全過程，發(fā)現(xiàn)了動態(tài)壓力場和氣泡體積分數(shù)場周期 性發(fā)展規(guī)律，是由出口裝置引起的。
第四，針對上述研究結果，提出優(yōu)化后的高速燃油泵出口修改設計方案。
在研究泵在額定工況下的流場時發(fā)現(xiàn)，壓力最低點位置是葉輪進口的 吸力面前沿，根據(jù)氣蝕發(fā)生的原理，靜壓的極低點將首先發(fā)生空化和氣蝕， 可以預測這將是氣蝕初生點。此外，泵蝸室出口到尾流段進口流道兩側是 壓力極低點，也是氣蝕容易發(fā)生的位置。
速度分布如圖3所示，在渦室出口處出現(xiàn)速度極低區(qū)域，在圖4的湍動 能分布中表現(xiàn)為渦室出口處湍流極強，尤其是在接近出口處的葉片的壓力 面附近，出現(xiàn)了湍流極強點，這些都為空化和氣蝕提供了條件。從圖4還 可以看出，出口處出現(xiàn)了比較強的漩渦，燃油流動受阻，燃油很難"暢快" 地流出渦室。
由壓力場計算可見，易氣蝕的"危險區(qū)"為靠近蝸室出口一側的葉輪 進口。
當壓力降低至某一值時，會直接從葉輪中心周向發(fā)生大面積的空蝕， 形成環(huán)繞中心的大空泡。蝸室出口流道兩側也產(chǎn)生一定范圍氣蝕，這與穩(wěn) 態(tài)壓力分布預測完全吻合。圖5所示為離心泵氣蝕破壞的情形，可見圖5(a) 所示的三維流體力學仿真結果與圖5 (b)所示的實物氣蝕情況符合良好。
上述計算分析得出結論離心泵排出管處于渦室的相對位置不合理， 導致其內(nèi)液體流動異常，比如產(chǎn)生脫流，漩渦，分離等現(xiàn)象，這些都在很 大程度上加劇了氣蝕的發(fā)生。本發(fā)明重新設計了出口裝置的排出管與泵渦 殼的連接形式，即將圖l中所示的出口裝置的排出管與泵渦殼的凹陷連接 改進為如圖6所示的平滑切線連接。
在另一實施例中，離心泵如圖7所示，除了出口裝置的排出管與泵渦 殼的平滑切線連接之外，泵渦室呈漸開線形狀，在出口位置處達到漸開線 的最大值。
為了證實新型離心泵出口裝置的正確性，本發(fā)明對新出口方案的高速 燃油離心泵進行了三維可行性分析計算和實驗驗證。
(1)本發(fā)明的離心泵氣蝕問題得以改善圖8(a)和圖8(b)分別是現(xiàn)有離心泵和本發(fā)明的離心泵在r^27000rpm， Qn^lOkg/h的額定工況下的截面靜壓分布?？梢钥闯?，現(xiàn)有泵在渦室出口 位置有一塊貼近壁面的低壓帶，這一區(qū)域基本上覆蓋了整個泵出口和渦室 出口壁面；相比之下，本發(fā)明的離心泵出口處低壓區(qū)明顯減小，而且位置 已經(jīng)向工作葉輪方向移動，不再附著在渦室壁面上。
這一個低壓區(qū)的偏移對于回避渦室壁面的氣蝕有舉足輕重的作用，因 為渦室和工作輪材質(zhì)不同，抵抗氣蝕能力不同。通常渦室周邊為鑄造，材 質(zhì)抗氣蝕的能力差，工作輪和渦室中心表面均有抗氣蝕鍍膜，因此低壓區(qū) 的偏移使空化發(fā)生區(qū)域偏離渦室的周邊壁面，靠近抗氣蝕能力較強的工作 輪和渦室中心表面，使離心泵的壽命大大提高。
(2) 本發(fā)明的離心泵性能得以改善
本發(fā)明還對新出口方案高速燃油離心泵進行三維非氣蝕計算，同時比 較其泵特性和流場。新型高速燃油離心泵壓升-流量(AP-Qm)特性線和 原泵的特性比較見圖9(a) 9(b)所示，其中仿真模型同樣采用ICEM/CFX， 物理模型、數(shù)值模型、邊界條件設置相同。
由圖9 (a) 9 (b)可以看出，除了小流量的幾個點，無論是低轉(zhuǎn)速 (泵啟動階段)，還是較高轉(zhuǎn)速(額定工況)，在正常流量范圍內(nèi)，新型泵 都比原泵的壓升有很大的提升。
(3) 本發(fā)明的離心泵試驗驗證
對不同轉(zhuǎn)速，不同出口質(zhì)量流量Qm進行模擬，可以得到不同的壓升特 性，其中壓升為離心泵出口截面總壓和離心泵進口截面總壓按照質(zhì)量流量 的平均之差。圖IO (a)至圖IO (e)為5種不同轉(zhuǎn)速下的壓升-流量特性曲 線數(shù)據(jù)。由圖IO (a)至圖IO (e)以及圖ll可以看出
① 對于同一轉(zhuǎn)速，本發(fā)明的離心泵壓升-流量曲線基本上呈現(xiàn)理想的 開口朝下的拋物線規(guī)律，這一點與理論曲線的吻合較好。
② 對于同一個流量，轉(zhuǎn)速越高，壓升值越大，與泵特性相一致。
③ 對于本發(fā)明的低比轉(zhuǎn)速下存在的小流量工況壓力不穩(wěn)定的問題，屬于此類離心泵的固有特性。
額定轉(zhuǎn)速下的仿真結果與試驗結果吻合較好。試驗壓升值略低是 因為仿真中未考慮葉輪與渦室間的流動損失。
綜上，平滑切線連接排出管與泵渦殼的出口設計方案將有效抑制氣蝕 的形成，并可以改善離心泵的性能。通過多種計算方法相互校驗以及實驗 驗證，證明新型高速燃油離心泵出口方案技術上可行。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范 圍；如果不脫離本發(fā)明的精神和范圍，對本發(fā)明進行修改或者等同替換的， 均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求的保護范圍當中。
權利要求
1. 一種新型的高速燃油離心泵，該離心泵包括側向的進口裝置，作為主要工作部分的葉輪，將上述葉輪包圍起來的泵渦室，以及位于泵渦室一端的出口裝置，其中，上述出口裝置具有排出管，其特征在于上述排出管與上述泵渦室之間為平滑切線連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的離心泵，其特征在于上述離心泵的參數(shù)如下轉(zhuǎn)速為20000~30000r/min;流量范圍為12000~46000kg/h;進口壓力 為0.3 1.1MPa;壓差為6.0 9.0MPa;最大消耗功率為300kW。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的離心泵，其特征在于上述泵渦室呈漸開 線形狀。
4. 根據(jù)權利要求3所述的離心泵，其特征在于上述離心泵的介質(zhì)為燃油。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的高速燃油離心泵，該離心泵主要包括側向的進口裝置，作為主要工作部分的葉輪，將上述葉輪包圍起來的泵渦室，以及位于泵渦室一端的出口裝置，其中，上述出口裝置具有排出管，上述排出管與上述泵渦室之間為平滑切線連接。平滑切線連接排出管與泵渦殼的出口設計方案將有效抑制氣蝕的形成，并可以改善離心泵的性能。通過多種計算方法相互校驗以及實驗驗證，證明該新型高速燃油離心泵技術上可行。
文檔編號F04D29/42GK101504014SQ200910079868
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權日2009年3月13日
發(fā)明者晃 于, 英 樸, 殷吉超 申請人:英 樸