液环式航空燃油离心泵自吸性能

基于Mixture模型对液环式航空燃油泵进行自吸阶段的非稳态数值计算,研究自吸过程中燃油泵内气液两相分布的变化过程,对不同时刻下燃油泵内部含气率、气液两相分布、压力及速度流线、熵产率和湍动能变化规律进行分析.结果表明:燃油泵的吸气和排气主要集中在自吸过程的前期和中期;随着自吸时间的增加,各监测面的含气率逐渐降低,当自吸时间为3.00 s时,蜗壳出口含气率接近于0,自吸过程结束;泵内压力随相对距离的增加而增大,泵内同一相对距离平面压力随自吸时间的增加而增大;在气液混合时,高速区域主要集中在叶轮中间流道和蜗壳壁面处,低速区域则集中分布在隔舌附近和导叶出口;随着自吸过程的进行,泵内湍动能和熵产率也随之增大,泵内能量损失增大,主要集中在叶轮叶片、导叶叶片和蜗壳出口处.

航空燃油离心泵高空吸油特性数值研究

为研究不同工作高度下航空煤油特性对燃油离心泵内部流场的影响程度,引入替代模型。基于修正的SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,对比分析燃油泵吸油特性在不同介质温度和工作高度下的压力分布、速度流场、气体体积分数、涡量、熵产和压力脉动分布情况。研究结果表明,工作高度在0~8 km条件下介质温度对燃油泵吸油性能影响很小。工作高度大于8 km时,同一工作高度下,随着介质温度升高,燃油泵吸油能力减弱,导致内部机械能耗散效应增强。叶轮内部集中连贯的高强度涡量团破裂成为分散涡量片,叶轮前盖板区高熵产率分布面积变大。通过对蜗壳域进行压力脉动分析,叶轮对隔舌的干涉作用强度与介质温度呈正相关。当工作高度大于16 km时,空泡堵塞叶轮流道,导致燃油泵输出功率骤降。该研究验证了介质温度和工作高度对燃油泵吸油性能具有显著影响。

基于超参数双调和方程代理模型的航空燃油离心泵多目标优化

为解决航空燃油离心泵性能参数高度非线性导致的代理模型构建准确性差的问题,本文提出超参数寻优的双调和方程代理模型方法。研究首先应用基于方差的敏感度分析方法验证超参数有效性并探究其作用机理。进而在与粒子群优化算法对比的基础上,通过贝叶斯优化实现超参数快速寻优,使代理模型自动提升预测精度。算例验证中,基于所构建的扬程和效率超参数双调和方程代理模型,实现了航空燃油离心泵多目标优化。研究结果表明:超参数的引入能够实现双调和方程代理模型的结构可变性,同时其高阶交互效应是影响代理模型准确性的主要原因;贝叶斯优化能够实现超参数双调和方程代理模型的自动寻优,对比粒子群优化其加速比达到17.62;优化后代理模型预测精度得到大幅提高,校准决定系数R^(2)_(adj)从0.82增加为0.96,提高17.1%;航空燃油离心泵扬程和效率超参数双调和方程代理模型损失函数值极低,能够描述结构参数和扬程、效率间的映射关系;经过多目标优化,航空燃油离心泵扬程提升0.041 m,效率提升0.76%,且优化后离心泵流道内高速流团得到抑制,叶片载荷梯度得到显著改善。

基于燃油离心泵叶轮轴向力测试技术的研究

燃油离心泵的叶轮轴向力平衡设计是提升产品性能、寿命、可靠性等技术指标的重要途径,随着航空发动机技术的发展,对燃油离心泵叶轮轴向力平衡设计提出了更为苛刻的要求;现有设计技术、仿真技术、测试技术难以准确指导叶轮轴向力平衡设计,造成燃油离心泵异常磨损等故障频发。通过对燃油离心泵结构特征、工作原理进行分析,设计了一种燃油离心泵工作过程中测试叶轮轴向力的新技术,该技术将燃油离心泵工作过程中承载的轴向力传递给作动筒活塞,再使用闭环控制原理,控制作动筒两腔液压力保证在叶轮轴向力作用下作动筒活塞位置保持不变,通过作动筒两腔液压力和液压作用面积即可算出叶轮轴向力的大小;本研究的测试技术可以有效指导燃油离心泵叶轮轴向力平衡设计,优化产品结构从而提高产品可靠性。

高压燃油离心泵压力脉动及非定常流动研究

采用有限元法对某型高压燃料离心泵在工作包线上的非稳定流场进行仿真,并对离心泵工作包线上的非稳定流场进行研究。通过比较模拟预报和实验数据,证明了模拟预报的正确性。采用FFT法对油水两相流中的主要部位进行实时监控,对油水两相流中的水力波动进行时间—频率特征的研究。研究发现,在大流量条件下离心泵的总体流速比较稳定,而在小流量条件下叶轮流道中会产生旋流,叶轮出口及隔舌地区的紊动能分布幅度较大,且具有波动性,会造成水力损失。

一体式航空燃油离心泵内流场数值模拟

采用多块拓扑结构和八叉树格式构建的混合网格,通过数值计算对某型诱导轮与叶轮一体式离心泵内流场性能进行了分析研究,仿真结果表明:不同计算工况下仿真数据与试验数据扬程值误差小于1%、效率值误差小于5%,即所使用的数值方法能够准确地模拟该型离心泵性能和内流场。进一步的仿真分析表明:一体式叶轮进口长度较大使得各个流量工况下离心泵叶轮内压力有明显的非对称性;隔舌处叶轮通道内压力变化最为剧烈,且在大流量工况下压力低于其它流量压力;叶片压力侧固定位置处有低速团的产生,叶片背力侧入口附近也容易产生低速流团。

高速燃油离心泵空化特性分析

为揭示高速燃油离心泵内部空化形态及隔舌区域空化的发生工况,对其进行了非定常数值计算,分析了不同流量下高速燃油泵内空化流场特性及压力瞬态特性。结果表明:在不同流量下,空泡首先在叶片前缘生成;随着空化数降低,空泡在叶片根部及延伸叶片背面产生;在1.2倍设计流量下隔舌区域的空化在低空化数下发生;空化对叶片表面根部的压力载荷影响较大;叶轮流道监测点压力脉动主频为叶轮轴频;隔舌监测点脉动主频为叶频,在1.2倍设计流量下的低空化数下隔舌区域监测点压力脉动频谱上轴频倍频特征增强。

高速燃油离心泵内流场分析和气蚀过程仿真

采用混合两相流模型和气蚀模型,采用两种网格技术多参考系模型和滑移网格模型对某型航空发动机高速燃油加力离心泵内流场和气蚀过程进行了二维数值仿真。首先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了瞬态仿真。不仅良好地模拟出泵腔内空泡初生、发展、消失的瞬态全过程,同时发现了稳定的瞬态压力场和气泡体积分数场的周期性发展规律,并揭示这一规律由排出管引起。详细分析了气蚀易发生位置的空间分布,排出管对气蚀发生的影响,高度空化流中蜗室出口壁面处气蚀破坏及其成因。仿真结果与实物气蚀破坏情况符合良好,对认识高速离心泵内燃油流动,预测并克服气蚀发生有指导意义。

燃油离心泵的非定常大涡模拟与试验研究

采用大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术,对多工况下的带诱导轮的燃油增压泵进行了非定常数值模拟分析,得到了燃油增压泵内部流动特性,同时对实物泵进行特性试验。结果表明:由于蜗壳存在不对称性,造成叶轮涡量和压力分布存在不对称流动;随流量的增加,流道内的涡量和压力大小分布规律相同,在小流量时变化明显,大流量时变化均匀,并且涡产生的位置和形式都发生了变化。通过试验曲线的形状看出,该泵在低转速、小流量时的变化较为明显,存在不稳定性。在大流量和高转速时性能稳定,而且在超过额定转速的1.08倍处工作状态良好,为后续提高该离心泵工作压力提高依据。

燃油离心泵多目标优化设计及仿真分析

针对燃油离心泵高效、高抗汽蚀的优化设计问题,进行了基于损失模型和SQP (Sequential Quadratic Programming)算法的多目标优化设计及仿真研究。建立表征叶轮和蜗壳等水力、容积和机械各效率的综合损失模型,并利用必需汽蚀余量来表征汽蚀特性。利用SQP算法构造合理的适应度函数,建立离心泵多目标优化数学模型。对燃油离心泵进行优化设计并与其它优化算法进行了对比,各优化算法的优化结果相似,但SQP算法优化求解的迭代步数相对较少。基于CFD技术进行仿真及外特性预测,验证燃油离心泵多目标优化设计方法的有效性。结果表明:相比传统方法,基于损失模型和SQP算法优化的离心泵流动损失更低,其进口流动更利于抗汽蚀性能;同时,优化的离心泵高效工作区域相对宽广,必需汽蚀余量相对较低,抗汽蚀性能有所改善。

高压燃油离心泵压力脉动及非定常流动分析

为了掌握全工作包线内高压燃油离心泵的非定常流动特性,对高压航空燃油离心泵进行了数值模拟并分析其内部的压力脉动及非定常流动变化。将仿真预测结果与泵的性能试验结果进行对比,验证了所采用的仿真方法的有效性;对泵内关键位置的压力进行监测,并利用快速傅里叶变化完成压力脉动的时频特性分析;重点以相对速度、湍动能等为指标,分析泵内非定常流动结构的变化。结果表明:设计流量工况下叶轮流道内压力脉动主频为转频f_(n),蜗壳流道内压力脉动主频为叶频f_(b),不同的监测点均呈现出相似的脉动变化规律。设计流量工况下泵内整体流动相对平稳,但小流量工况下叶轮流道内出现了一定的漩涡流动,主要存在于靠近隔舌区域的叶轮流道出口位置。此外,叶轮出口及隔舌区域的湍动能分布范围较大且变化强烈,此处存在一定的水力损失。

诱导轮对航空燃油离心泵性能影响的研究

目前,对诱导轮对航空燃油离心泵的性能影响认识不足,针对此问题,设计了等螺距和变螺距两种形式的诱导轮,对其进行数值研究。在数值计算过程中,对采用等螺距诱导轮、变螺距诱导轮和不采用诱导轮三个模型在0.6Q、0.8Q、1.0Q、1.2Q、1.4Q五种工况下进行数值模拟,得到了外特性曲线以及泵内流场速度、压力分布。分析结果表明:在燃油泵主叶轮前添加诱导轮,可以小幅度提升泵扬程,较大程度提高泵的效率,相比于等螺距诱导轮,变螺距诱导轮的改善效果更好;添加诱导轮后,主叶轮入口流动情况得到改善,尤其在大流量工况下,低压区的分布减少,诱导轮对泵内流动的影响主要在叶轮进口处。

复合叶片对小流量工况下燃油离心泵非定常特性的影响

为了研究长中短复合叶片对小流量工况下燃油离心泵非定常特性的影响规律,基于CFD技术对某型燃油离心泵进行了非定常数值模拟。首先,分别建立原型方案和带有长中短复合叶片的优化方案的离心泵三维模型和网格模型。其次,基于RNG k-ε湍流模型,对两个方案中泵内流动非定常特性进行数值计算。仿真结果表明:长中短复合叶片减弱了叶轮流道内的大尺度漩涡,降低了叶轮的出口滑移,使得压力分布更加均匀。同时,叶轮与隔舌的动静干涉造成了蜗壳内一定程度的压力脉动产生,且长中短复合叶片的压力脉动幅值相对较低。另一方面,小流量工况下,优化方案中离心泵的增压值为12.9MPa,效率为26.9%,比原型方案中离心泵的增压值和效率分别提高了3.5%和2.6%。

变汽液比条件下高速燃油离心泵非定常特性分析研究

为了明确高速燃油离心泵在汽液比变化下流场的非定常特性,以设计流量和小流量工况为例进行内流场数值模拟,重点分析叶轮流道内的非定常流动特点及压力脉动时频特性.给出汽液比与进口压力的映射关系以确定仿真边界,并对网格模型、仿真步长进行相关性检验.将仿真与试验结果对比,以验证仿真方法的有效性.随后,基于压力等值线和湍动能等分布结果分析其非定常流动特点,并利用快速Fourier变换对叶轮进口、出口的压力脉动进行时频特性转换.研究结果表明,在燃油饱和状态条件下,叶轮流道内的流动相对稳定,压力幅值主频为转频.随着汽液比的增加,叶轮进口产生了低压区且面积明显扩大,叶轮出口出现了不同程度的尾迹流,相同区域内的湍动能耗散率同样表现最为强烈.另一方面,随着汽液比的增加,叶轮进口压力逐渐降低,在设计流量下,微小的压力幅值主频为转频,而小流量下出现了其他倍频.同时,叶轮出口的尾迹流并未严重影响各监测点的压力幅值主频,此处压力幅值主频仍为转频.

航空燃油离心泵抗汽蚀优化设计及仿真

针对航空燃油离心泵工作时出现的汽蚀问题,采用正交试验法对离心泵叶轮进行优化设计。选取叶轮出口直径D 2、叶轮出口宽度b 2、叶片数Z、叶片厚度H为正交试验的4个因素,完成了正交试验并对试验结果进行极差分析,得到了以泵汽蚀余量为优化指标的影响排序,并最终获得最优参数组合。通过流场仿真对现用离心泵和优化后离心泵的泵汽蚀余量和蒸汽质量分数进行对比,优化后的航空燃油离心泵泵汽蚀余量小于现用离心泵泵汽蚀余量,且蒸汽质量分数降低了19.98%,说明优化后的离心泵抗汽蚀性能显著提高。

航空燃油离心泵增压设计及仿真

为满足新型航空发动机燃油离心泵增压增效的要求,首先,对现用结构航空燃油离心泵进行流场模拟分析并将模拟分析结果与产品实际试验数据进行对比,流场模拟数据与实际试验值吻合度较高,证明了仿真分析方法的正确性;其次,利用相似换算法得出航空燃油离心泵增压方法,对离心泵核心部件叶轮进行改进和流场仿真分析,改进后的燃油离心泵虽能满足增压要求但产品效率降低;最后,采用叶片轻量化减薄叶片的方法提高了燃油离心泵效率,保证航空燃油离心泵在增压的同时达到增效的目的。改进设计方法为后期燃油离心泵叶轮设计提供有效的技术参考。

基于Kriging的燃油离心泵智能优化设计方法研究

为了快速化、智能化地实现燃油离心泵设计,提出一种改善期望准则下的Kriging智能优化方法。对离心泵的性能参数、轴面投影控制参数等进行分析,确定优化变量及优化目标。利用Python脚本调用实现对离心泵一维设计、三维建模、内流场仿真及智能优化设计等联合参数化仿真,完成叶轮型线实时修改及效率全局优化。其中,重点给出Kriging建模及遗传算法优化加点相结合的智能优化方法。算例验证表明:相比多项式响应面及径向基函数,所提出的优化方法对常规数学算例具有更好的效果;同时,仿真预测的优化泵效率为82.52%,与优化方法理论计算的效率(82.56%)高度一致,表明该方法能够实现离心泵的优化设计。此外,对比了优化前后离心泵的性能,在相同流量工况下优化泵的扬程和效率均高于原型泵,小流量工况的效率提高幅度较小,设计流量工况最大,提高了2.65%。且优化泵内部流动更为均匀,不利流动得到了一定改善。

航空燃油离心泵内流特性研究

航空燃油离心泵是航空发电机中的重要组成部分,功能多、作用大,应用效用相对较大。通过对其内流特性的研究不仅可以提高此类产品的研发设计水平,也能够为其合理使用提供相应的理论指导。本文概述了航空燃油离心泵,介绍了当前相关研究现状,并在此基础上选取某型航空燃油离心泵作为研究对象,对其在不同转速与流量下的特性进行了数值模拟与分析讨论。

耦合双层参数更新的改进PCE模型在燃油离心泵不确定性分析中的应用

叶片加工和航空发动机的极端多变工况带来的不确定性因素,是影响燃油离心泵性能和流场变异性的关键因素。本文提出了一种基于CFD机理建模与代理模型的同步分析方法。首先,基于Karhuben-Loève(KL)变换理论进行了离心泵三维叶片的轮廓度偏差不确定性建模;其次,嵌套最小角回归(LAR)算法,对混沌多项式展开(PCE)模型进行双层参数更新,构建了高精度的代理模型;最后,以某型燃油离心泵为研究对象,基于CFD仿真及试验验证和PCE代理模型完成了离心泵的不确定性分析。研究结果表明:KL变换能够仅通过9个输入参数描述三维叶片轮廓度偏差不确定性;耦合双层参数更新的改进PCE模型在多个离心泵工况下,其准确度指标较未改进之前平均提高了27.6%;离心泵叶片轮廓度加工偏差范围控制在-0.3~0.3 mm内即可保证离心泵性能不确定性大幅减小;轮毂处叶片轮廓度偏差,对流场的不确定性影响较轮缘和中间截面叶片轮廓度偏差大,而转速是工况中影响燃油泵流场不确定性的核心工况参数。

带引射器的多级导流叶轮航空燃油离心泵数值模拟

以带引射器的多级导流叶轮航空燃油离心泵为研究对象,开展了该型离心泵性能数值模拟研究.通过数值模拟结果与试验数据的对比,验证了基于Pumplinx下该型离心泵性能仿真的正确性;通过分析离心泵轴向与径向中间截面的压力分布研究内流场特性,并在该泵最差气蚀工况下的分析了气蚀特性,给出完全气蚀状态下的气液两相分布以及预测了离心泵的Δh-H特性曲线.研究表明:带引射器的多级导流叶轮航空燃油离心泵数值模拟的扬程效率以及气蚀特性曲线与试验数据吻合.在小流量工作范围下内流场压力分布均匀稳定,增压效果明显;当进口压力为0.018MPa时产生完全气蚀状态,小于技术要求最小进口压力0.027MPa,因此该泵的工作要求范围下不会产生气蚀现象.