一种抗汽蚀离心泵叶轮设计方法与流程

1.本发明属于发动机燃油离心泵领域，具体涉及一种抗汽蚀低比转速离心泵叶轮。


背景技术：

2.由于航空发动机负荷复杂多变，发动机燃油离心泵在非设计工况下运行时，内部往往会产生分离、脱流、漩涡空化等复杂流动，产生汽蚀破坏。同时，汽蚀破坏累积的损伤又会导致叶轮内低压区域由叶轮入口向叶轮出口端迅速扩张，会进一步促进叶轮内部空泡产生和空泡体积扩大，对燃油泵的能量转换产生更严重的抑制，直接影响燃油供给系统的可靠运行和使用寿命。面对高性能战斗机的特殊需求，如何保燃油泵的水力性能及运行可靠性，已成为离心泵设计领域的重要课题。掌握发动机燃油离心泵效率提升和抗汽蚀性能的改善设计方法刻不容缓。
3.现在用于提高离心泵抗汽蚀性能的设计方法很多，比如：设计诱导轮，设计长短叶片、采用扭曲叶片、增大壳体进口面积等措施。
4.现有提高叶轮抗汽蚀性能的设计方法虽然能达到提高抗汽蚀性能的目的，但会降低离心泵的效率或需改变离心泵已经固化的结构，而发动机燃油离心泵产品研发过程中往往受到安装空间、接口尺寸以及生产周期的制约，导致对其结构进行改动而增强抗汽蚀性能的可行性降低。


技术实现要素：

5.为使离心泵叶轮不牺牲效率而提高抗汽蚀性能，且既不改变其固化的外形尺寸和接口，又满足加工可操作性，本发明提出了一种抗汽蚀离心泵叶轮设计方法。
6.为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
7.一种抗汽蚀离心泵叶轮设计方法，通过将长叶片、短叶片的工作面和长叶片、短叶片背面设计为正曲率扭曲凹面，增加中间流面的过流面积，减小流动速度来降低必需汽蚀余量，提高叶轮的抗汽蚀能力。
8.进一步地，通过将长叶片、短叶片的工作面和长叶片、短叶片背面设计为正曲率扭曲凹面，增加中间流面的过流面积，具体设计方法为：
9.根据性能指标参数和结构形式，参考设计手册计算得到叶轮参数；
10.根据叶轮参数和叶轮的轴向安装位置确定叶轮子午面投影图；
11.按照方格网保角变换法进行叶片叶型设计，包括确定长叶片、短叶片的设计参数，以及确定长叶片的叶型特征参数，根据设计参数和叶型特征参数得到长叶片；根据设计好的长叶片，通过截取的方法得到短叶片；
12.根据安装位置进行叶轮几何结构设计。
13.进一步地，所述根据性能指标参数和结构形式，参考设计手册计算得到叶轮参数，其中，叶轮参数包括：
14.叶轮当量直径d0、叶轮进口直径dj、叶轮外径d2、叶轮出口宽度b。
15.进一步地，所述根据叶轮参数和叶轮的轴向安装位置确定叶轮子午面投影图，包括：
16.前盖板流线，中间流线和后盖板流线；前后盖板流线由轴向的直线段、径向的直线段以及位于两个直线段之间的曲线段构成，直线段和曲线段光滑过渡。
17.进一步地，所述确定长叶片、短叶片的设计参数，包括：
18.长叶片进口直径d
l
＝k
l
*dj和短叶片进口直径ds＝ks*d2，其中k
l
为长叶片进口直径系数，ks为短叶片进口直径系数；
19.确定长叶片、短叶片进口位置点p
l
、ps，其中p
l
是直径为d
l
的圆与前盖板流线的交点，ps是直径为ds的圆与前盖板流线的交点；
20.其中，长叶片、短叶片数量相等，围绕叶轮轴线交错均匀排布。
21.进一步地，k
l
＝1～1.05；ks＝0.55～0.67，具体取值可参照相似判别数-比转速的大小来确定，比转速≤60时，k
l
、ks均取小值1、0.55；60≤比转速≤100时，k
l
、ks按照插值法在(1.01-1.04)、(0.56-0.66)中取值；100《比转速时，k
l
、ks均取大值1.05、0.67。
22.进一步地，所述确定长叶片的叶型特征参数，包括：
23.叶片数z、贴近前盖板的长叶片进口安放角β
5a
、贴近后盖板的长叶片进口安放角β
7a
、中间流面的进口安放角β
6a
、长叶片包角θ、贴近前盖板的长叶片出口安放角β
5b
、中间流面的出口安放角β
6b
、贴近后盖板的长叶片出口安放角β
7b
，定义长叶片进口安放角差异系数k
βa
＝β
6a
/β
5a
和长叶片出口安放角差异系数k
βb
＝β
6b
/β
5b
；
24.其中，各参数取值为：
25.12
°
≤β
5a
≤17
°
；
26.β
7a
＝β
5a
5
°
；
27.110
°
≤θ≤155
°
；
28.z的取值为：n个长叶片、n个短叶片，其中n的取值为2、3、4。
29.18
°
≤β
5b
≤25
°
；
30.β
7b
＝β
5b
；
31.β
6a
＝k
βa
*β
5a
，其中k
βa
＝0.53～0.83；
32.β
6b
＝k
βb
*β
5b
，其中k
βb
＝1.25～1.50。
33.进一步地，θ取值可参照相似判别数-比转速的大小来确定，比转速≤60时，按照插值法在135
°‑
155
°
的范围中取值；60≤比转速≤100时，按照插值法在115
°‑
134
°
的范围中取值；100《比转速时，在110
°‑
114
°
的范围中取值；
34.对于β
5b
，流量-扬程或流量-增压性能曲线要求平稳时，β
5b
取18
°‑
22
°
；流量-扬程性能曲线要求陡峭时β
5b
取23
°‑
25
°
；
35.对于k
βa
，当n取值为2时，k
βa
的取值范围为0.76-0.83；当n取值为3时，k
βa
的取值范围为0.65-0.75；当n取值为4时，k
βa
的取值范围为0.53-0.64。
36.进一步地，所述根据设计好的长叶片，通过截取的方法得到短叶片，包括：
37.按照长叶片的叶型特征参数和长叶片进口直径d
l
、长叶片进口安放点p
l
、叶轮外径d2，确定长叶片的叶型以及在子午面投影图中长叶片的进口位置线；围绕叶轮轴线均匀排布2n个长叶片，从2n个长叶片中取出间隔的n个长叶片进行截取，截取后的这些叶片作为短叶片。
38.进一步地，从2n个长叶片中取出间隔的n个长叶片进行截取，具体的截取方法为：
39.首先在长叶片的子午面投影图中，根据短叶片进口直径ds、短叶片进口安放位置点ps得到短叶片进口位置线；采用沿叶轮轴旋转短叶片进口位置线的方式对长叶片进行截取，得到短叶片。
40.与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
41.本发明提出的叶轮设计方法，通过将叶片工作面和叶片背面形状设计为正曲率扭曲凹面，增加中间流面的过流面积，减小流动速度来降低必需汽蚀余量，提高叶轮的抗汽蚀能力。采用本方法设计的叶轮在进口极限低压时，气泡基本无聚集现象，抗汽蚀性能改进效果显著，小流量工况时效率提升明显；整个进口压力设计要求范围内，叶轮抗汽蚀性能较好。在不牺牲叶轮效率的前提下提高了叶轮的抗汽蚀性能，既不改变其固化的外形尺寸和接口，只需在现有叶轮基础上局部修改叶片型线即可，且易于推广，有较高的使用价值。
附图说明
42.图1为叶轮流道子午面结构示意图，其中，(a)为叶轮流道示意图，(b)为长叶片、短叶片进口位置线的示意图；
43.图2的(a)、(b)分别为叶片的排布示意图以及一组长、短叶片示意图；
44.图3的(a)为长短叶片进口直径的示意图；(b)为叶片主视图，(c)为贴近前盖板和后盖板的长叶片的叶型参数示意图；(d)为中间流面的叶型参数示意图；
45.图4为本方法设计的叶轮示意图；
46.图5为图4的剖视图；
47.图6的(a)、(b)为现有技术叶轮、本发明叶轮的剖视示意图；
48.图7的(a)、(b)为现有技术叶轮、本发明叶轮在空化状态下，叶轮流道内空泡分布对比图；
49.图8的(a)、(b)为现有技术叶轮、本发明叶轮在额定转速下的流量-增压值和流量-效率曲线对比图。
50.图中标号说明：1—叶轮当量直径、2—叶轮进口直径、3—叶轮外径、4—叶轮出口宽度、5—前盖板流线、6—中间流线、7—后盖板流线，8—长叶片、9—短叶片，801—长叶片工作面，901—短叶片工作面，802—长叶片背面，902—短叶片背面，10—叶轮前盖板，11—叶轮后盖板。
具体实施方式
51.大量实践证明离心泵发生汽蚀的条件是由泵本身和吸入装置决定的。泵本身决定的条件与泵内流动情况有关，即泵的必需汽蚀余量npshr，是泵不发生汽蚀所必需的汽蚀余量，经验计算公式：
[0052][0053]
其中：
[0054]v0
—叶轮进口处绝对速度，m/s；
[0055]
w0—叶轮内相对速度，m/s；
[0056]
λ—叶片进口绕流压降系数通常取0.15～0.3，最优工况点最小，偏离最优工况λ值增加是由冲角变化引起的。
[0057]
npshr越小表示泵压降越小，要求装置必需提供的npsha小，泵的抗汽蚀性能越好。
[0058]
而与吸入装置相关的是指装置汽蚀余量npsha，是指泵本身能够提供的超过汽化压力水头的富余能量。
[0059][0060]
其中：
[0061]
ps—为吸入液面压力
[0062]vs
—吸入口的速度，m/s；
[0063]
pv—汽化压力，pa。
[0064]
当必需汽蚀余量npshr≥装置汽蚀余量npsha时，离心泵才不会发生汽蚀。
[0065]
从结构上看吸入装置是指吸入液面到泵进口前的部分，泵进口到泵出口为泵本身。由于叶片绕流，泵内压力最低点通常发生在叶片进口背面稍后处，此处圆周速度大，相对速度较大，进口压力损失和绕流引起的压降就相应变大，另外流道转弯内壁处，离心力效应，流速大，压力低。当此处压力等于流体汽化压力时，泵开始发生汽蚀。理论讲，若泵的吸入液面减去吸入液面到压力最低点的全部压力降所得压力小于汽化压力时泵会发生汽蚀，在泵的进口和叶轮进口处及叶片进口至压力最低点分别选取控制体，运用伯努利方程可得泵的汽蚀基本方程：
[0066]
npsha＝npshr[0067]
综上可知，npshr越小表示泵压降越小，要求装置必需提供的npsha小，泵的抗汽蚀性能越好。
[0068]
但对于发动机燃油离心泵而言，装置汽蚀余量往往受到前置增压泵和燃油控制系统管路的影响，提高装置汽蚀余量npsha的可行性几乎为零。换言之，只要设法降低必需汽蚀余量npshr便能提高燃油离心泵的抗汽蚀性能。npshr与叶轮进口处绝对速度v0、叶轮内相对速度w0和叶片进口绕流压降系数λ正相关，而叶片进口处扰压降系数λ与泵实际运行工况与设计工况的偏离程度正相关。因此，只要降低叶轮进口处或叶轮内的绝对速度v0和相对速度w0便能够达到减小必需汽蚀余量npshr的目的。
[0069]
因此，发明一种高效抗汽蚀离心泵叶轮设计方法，通过将长叶片、短叶片的工作面和长叶片、短叶片背面设计为正曲率扭曲凹面，增加中间流面的过流面积，减小流动速度来降低必需汽蚀余量，提高叶轮的抗汽蚀能力。另外，为保证叶轮水力设计效率，设计方法中略微增大了叶轮叶片中间流面的出口安放角。
[0070]
用本方法设计的离心泵叶轮效率较高且抗汽蚀性能较强，极限进口压力条件下，无明显气泡聚集。
[0071]
所述叶轮设计方法的步骤如下：
[0072]
步骤1，根据性能指标参数和结构形式，参考设计手册计算得到叶轮参数包括：叶轮当量直径1(d0)、叶轮进口直径2(dj)、叶轮外径3(d2)、叶轮出口宽度4(b)。
[0073]
步骤2，根据步骤1计算的叶轮参数和叶轮的轴向安装位置确定叶轮子午面投影图，如图1所示，包括：
[0074]
前盖板流线5，中间流线6和后盖板流线7；前后盖板流线由轴向的直线段、径向的直线段以及位于两个直线段之间的曲线段构成，直线段和曲线段光滑过渡，保证过流断面面积均匀变化即可。
[0075]
步骤3，叶轮叶片型线设计。
[0076]
按照方格网保角变换法进行叶片叶型设计，型线应光滑平顺，单向弯曲，以平直稍凸为好，如图2所示。
[0077]
所述叶片包括：多片长叶片8、多片短叶片9，长叶片工作面801、短叶片工作面901、长叶片背面802、短叶片背面902。其中长叶片8、短叶片9围绕叶轮轴线交错均匀排布。
[0078]
确定长叶片、短叶片的设计参数：
[0079]
如图1、2、3所示，长叶片进口直径d
l
＝k
l
*dj和短叶片进口直径ds＝ks*d2(其中k
l
为长叶片进口直径系数，ks为短叶片进口直径系数(k
l
＝1～1.05；ks＝0.55～0.67，具体取值可参照相似判别数-比转速的大小来确定，比转速≤60时，k
l
、ks均取小值1、0.55；60≤比转速≤100时，k
l
、ks按照插值法在(1.01-1.04)、(0.56-0.66)中取值；100《比转速时，k
l
、ks均取大值1.05、0.67。
[0080]
确定长叶片、短叶片进口位置点p
l
、ps，其中p
l
是直径为d
l
的圆与前盖板流线的交点，ps是直径为ds的圆与前盖板流线的交点。
[0081]
确定长叶片的叶型特征参数：
[0082]
叶片数z、贴近前盖板的长叶片进口安放角β
5a
、贴近后盖板的长叶片进口安放角β
7a
、中间流面的进口安放角β
6a
、长叶片包角θ、贴近前盖板的长叶片出口安放角β
5b
、中间流面的出口安放角β
6b
、贴近后盖板的长叶片出口安放角β
7b
，定义长叶片进口安放角差异系数k
βa
＝β
6a
/β
5a
和长叶片出口安放角差异系数k
βb
＝β
6b
/β
5b
。
[0083]
叶片几何参数如下：
[0084]
12
°
≤β
5a
≤17
°
；
[0085]
β
7a
＝β
5a
5
°
；
[0086]
110
°
≤θ≤155
°
；取值可参照相似判别数-比转速的大小来确定，比转速≤60时，按照插值法在135
°‑
155
°
的范围中取值；60≤比转速≤100时，按照插值法在115
°‑
134
°
的范围中取值；100《比转速时，在110
°‑
114
°
的范围中取值。
[0087]
z的取值为：n个长叶片、n个短叶片，其中n的取值为2、3、4。
[0088]
18
°
≤β
5b
≤25
°
其中流量-扬程或流量-增压性能曲线要求平稳时，β
5b
取18
°‑
22
°
；流量-扬程性能曲线要求陡峭时β
5b
取23
°‑
25
°
；
[0089]
β
7b
＝β
5b
；
[0090]
β
6a
＝k
βa
*β
5a
，其中k
βa
＝0.53～0.83；当n取值为2时，k
βa
的取值范围为0.76-0.83；当n取值为3时，k
βa
的取值范围为0.65-0.75；当n取值为4时，k
βa
的取值范围为0.53-0.64。
[0091]
β
6b
＝k
βb
*β
5b
，其中k
βb
＝1.25～1.50。
[0092]
按照以上长叶片的叶型特征参数和长叶片进口直径d
l
、长叶片进口安放点p
l
、叶轮外径d2，确定长叶片的叶型以及在子午面投影图中长叶片的进口位置线；围绕叶轮轴线均匀排布2n个长叶片，从2n个长叶片中取出间隔的n个长叶片进行截取，截取后的这些叶片作为短叶片；
[0093]
具体截取方法为：
[0094]
首先在长叶片的子午面投影图中，根据短叶片进口直径ds、短叶片进口安放位置点ps得到短叶片进口位置线；采用沿叶轮轴旋转短叶片进口位置线的方式对长叶片进行截取，得到短叶片。
[0095]
步骤4，根据安装位置进行叶轮几何结构设计，包括：叶轮前盖板10，叶轮后盖板11和轮毂；从而通过前盖板、后盖板、长叶片、短叶片以及轮毂的设计得到完整的叶轮。
[0096]
实施例：
[0097]
本发明的一个实施例中，按照本发明方法所设计的抗汽蚀叶轮，包括：轮毂、前盖板、后盖板、短叶片以及长叶片。长、短叶片沿轮毂周向均匀布置。长叶片进口径向位置d
l
＝k
l
*d2(其中dj为93mm，k
l
为短叶片进口位置长度系数k
l
＝0.99。短叶片进口径向位置ds＝ks*d2(其中r为90mm，ks为短叶片进口位置长度系数ks＝0.67。
[0098]
该实施例中叶轮设计的相关参数如下：
[0099]
β
5a
＝14
°
；
[0100]
β
6a
＝19
°
；
[0101]
θ＝132
°
；
[0102]
z＝4个长叶片、4个短叶片；
[0103]
β
5b
＝20
°
；
[0104]
β
7b
＝β
5b
＝20
°
；
[0105]
β
6a
＝k
βa
*β
6a
＝0.78*14
°
＝11
°
；
[0106]
β
6b
＝k
βb
*β
6b
＝1.3*20
°
＝26
°
[0107]
图6为现有技术叶轮和本发明方法设计叶轮子午面结构示意图，包括长叶片工作面(面801)、长叶片背面(面802)、短叶片工作面(面901)、短叶片背面(面902)，本发明方法设计的叶轮叶片工作面和叶片背面为正曲率扭曲凹面。
[0108]
图7为设计工况下，进口压力最低时现有技术叶轮和本发明方法设计叶轮的空泡分布对比图，图中红线标示区域为空泡聚集区域，可以看出按本发明方法设计的叶轮基本无明显空泡聚集，抗汽蚀性能显著提升。
[0109]
图8为设计工况下，现有技术叶轮和本发明方法设计叶轮额定转速下的流量-增压值和流量-效率曲线对比。由图可知，额定工况现有技术叶轮及本发明方法设计叶轮仿真效率均为78％，相同转速，不同流量下本发明方法设计的叶轮增压值略有提升，小流量工况下，本发明方法设计的叶轮效率提升约1.5％，即本发明方法设计的叶轮非设计工况下效率提升明显。
[0110]
综上所述，本实施实例足够说明本发明方法设计的叶轮既具有良好的抗汽蚀性能又能提升效率，在现有叶轮基础上改进设计时不改变其固化的外形尺寸和接口，只需对叶片进行轻微修型，可操作性强，且易于推广，有较高的使用价值。
[0111]
以上实施例仅用于说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。