某型加油泵性能优化

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李述林，肖若富，王文平，等.某型加油泵性能优化[J.排灌机械工程学报，2013，31(6)：471-474。

Performance optimization for refueling pumpsLi Shulin -，Xiao Ruofu。，Wang Wenping ，Pan Xiao -，Tao Ran。

(1.Aviation Key Laboratory of Science andTechnology 0n AeroElectromechanical SystemIntegration，Nanjing，Jiangsu 211106，China；2.Nanjing EngineeringInstitute ofAircraft Systems，Jincheng，AVIC，Nanjing，Jiangsu 211106，China；3.Colege ofWaterResourcesand Civil Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China)Abstract：For a particular air refueling power system model which consists of RAT and a centrifugalfuel pump，on the premise of maintaining constant RAT，using the hydraulic design to optimize theperformance of the refueling pump，thus the development needs of the system as a whole to improve theoutput power was satisfied.Firstly，using CFD method，the refueling pump was redesigned to optimizethe performance.Full three-dimensional numerical simulation is applied to the optimized mode1.Afterrepeatedly iterative optimization processes，the final optimized design was finally obtained.Secondly，based on optimization results，specimen products were made and tests were performed to verify the de-sign.The comparison of test data and simulation results shows that，after cycling optimization proce-dure of theoretical design，numerical simulation and theoretical redesign，the optimized pump S per-formance is superior to that of the original one.The analysis of the internal flow shows that the vortexesin the optimized flow domain are smaller and weaker.Compared with the original one，the optimizedpump S efficiency is increased by 8% .and the pumping pressure is raised by 10% .The results of thisstudy can help enhance the reliability of system operation and solve the matching problem of the systemand provide reference for optimal designing of other air-fuel pumps。

收稿日期 ：2012-10-16；网络出版时间：2013-06-03网络出版地址：htp：///kems/detail/32.1814.TH.20130603.0941.003.html基金项目：国家自然科学基金重点项 目(51139007)作者简介：李述林(1974-)，男，湖北红安人，高级工程师(sohulishulin###sohu.corn)，主要从事航空燃油泵设计及优化研究。

肖若富(1976-)，男，浙江苍南人，副教授(通信作者，xrf###cau.edu.cn)，主要从事流体机械优化设计及流固耦合研究Key words：refueling pump；centrifugal pump；computational fluid dynamics；numerical simulation：design optimization离心泵作为航空加油系统的主要部件，其水力性能直接影响整体加油系统的动力输出.现阶段对离心泵设计方法主要有2种，分别为速度系数法和相似换算法.近年来，随着计算机技术的发展以及对泵内部流场研究的深入，离心泵叶轮的优化设计取得了突破性进展 1.张人会等 分别对基于NURBS的曲面设计方法、基于自由曲面变形方法及偏微分方程方法3种离心泵叶轮参数化设计方法的研究进行了详细的介绍；周鑫等 应用准正交线法绘制轴面流网，通过轴面速度的迭代计算优化轴面流道轮廓；田辉等 采用遗传算法对离心泵叶片型线水力性能优化设计进行了研究；郭鹏程等 在三维紊流数值分析的基础上提出离心泵叶轮优化设计的方法；崔宝玲等 基于滑移网格和 RNG k-tO湍流模型研究了具有复合叶轮的低比转数离心泵内由叶轮、蜗壳相互作用所引起的非定常流动特性；Kaewnai等 j提出利用 CFD的模拟计算方法来预测离心泵叶轮的特性。

文中以现有加油系统的加油泵为原型，在不改变系统整体结构的基础上，对原型叶片进行优化设计 ，从而提高加油泵的效率和增压值。

插头锥管式加油系统目前除美国空军外，世界各国航空兵都采用插头锥管系统进行空中燃油补给，加油系统利用从加油机上伸出的细长软管来实现加/受油机燃油管道沟通，进行空中加油.这种系统因其改装容易、可实现多点加油而得到广泛应用，空客、波音公司等飞机制造巨头在新型加油机发展计戈0中都把这种加油系统作为标准配置 。

安装在加油机翼下的插头--锥管式加油系统的加油能力-般能够达到 1 500 L/min，通过细长的燃油管道输送大流量燃油必然导致较大的能量消耗，现有的机载能源系统很难满足需求，因此该系统通常自带动力装置，其中多数系统均采用冲压涡轮作为加油泵的驱动装置；另外，加油系统工作过程中还要求驱动装置在工作包线内保证输出功率的情况下，能够根据负载变化在相当宽的范围内调节工作转速.因此，为满足该系列功能，冲压涡轮产品的设计难度及成本与离心式加油泵相比，往往要高出1～2个数量级。

我国第-代插头--锥管式加油系统配套动力装置，由1套冲压涡轮和离心式加油泵共同组成。

其中，冲压涡轮的额定输出功率达40 kW，工作转速可在2 000～6 900 r/rain内任意调节，系统加油软管长度为 16 In，额定加油能力达 1 500 L/min.根据发展需求，未来系统软管长度可达 22～24 m，而加油能力依然要求能够保证 1 500 L/min，其加油系统动力装置的输出功率预计需提高3.0～3.5 kW。

实现上述 目的有 2种途径：① 重新研制动力装置；② 保持冲压涡轮不变，利用最新水力设计技术优化加油泵性能，保证系统需求.文中即在第 2种方法的基础上进行加油泵的优化设计。

2 计算模型及方法2.1 模型优化设计文中根据加油泵叶轮的原设计参数建立水力模型，在对原型泵试验性能曲线分析的基础上，以提高加油泵效率为优化目标，对原加油泵的叶型和进出口几何参数进行优化设计.表 1为优化设计前后加油泵叶轮结构参数，其中B 为出L]芭角，0为叶片包角。

表 1 优化设计前后加油泵结构参数Tab.1 Design requirements of optimization投影图面投影图图 1 优化前后轴面投影图Fig.1 Meridian plane before and after optimization表 1和图 1显示，加油泵叶型由优化前的圆柱型变为扭曲型，在叶片进 口处，液流方 向由平行于轴线方向逐渐转为垂直于轴线方向.此时，必须保证叶片各断面产生的扬程相等，否则会产生回流。

由欧拉公式及速度三角形原理可知，进口处叶片呈扭曲状态时损失较小；优化后的模型在适当范围内增大了叶片包角 0并减小了出口芭角/3，，这样能够减小叶片间的相对流动扩散，改善叶片出口射流尾迹，提高叶轮水力性能，同时减小压水室的水力损失；优化后叶片进 口边向泵进 口适当延伸，以提高泵的气蚀性能；优化后的前后盖板型线更加光滑，曲率增大，从而减小叶轮内水流的局部阻力损失.综上所述，优化后的离心泵叶轮，可以满足设计要求，提高水力效率。

2.2 计算模型根据加油系统未来的需求，通过计算得到新加油泵的设计要求，如表2所示.表中Ⅳ为转速，P为输入功率，Q为流量， 为扬程，7为效率。

表2 优化设计前后加油泵设计要求Tab.2 Design requirements of refueling pumpbefore and after optimization图2为加油泵叶轮优化前后三维模型.图2a为优化前叶轮，其加油泵效率较低.采用改进的速度系数设计法，结合流体仿真计算对全流道进行仿真.文中经过 l5次迭代设计得到最优的叶轮水力模型，如图2b所示，完成了叶轮和进口段的工程设计，并生产试件进行了试验验证。

④(a)优化前 (b)优化后图 2 加油泉 叶轮Fig.2 Impeler of pump2.3 数值计算模型及方法为分析优化设计前后加油泵性能，分别建立 2种加油泵的整体全三维流道模型，包括泵进 口、叶轮流道以及蜗壳流道；采用非结构化四面体网格对整体流道进行网格划分.为提高计算精度 ，对叶片、蜗壳等近壁区进行网格加密，同时对加油泵整体模型进行网格无关性检查.分别采用网格数为 8.0×10 ，1.0×10。。1.2×10。，1.5×10 ，2.0 X 10。等不同网格对加油泵整体流道进行 CFD计算.当网格数大于1.5×10。时，数值计算结果趋于稳定，其不同网格的数值计算误差小于 0.5%.因此最终采用网格单元数约为 1.5 X 10。对优化设计前后的加油泵模型进行计算及分析。

文中采用有限体积法离散方程，压力 -速度耦合采用 SIMPLE系列算法，差分格式采用二阶迎风格式，叶轮转动域采用多重坐标参考系(MRF)，湍流模型为 SST - 模型，进口边界条件为质量流量条件，进口速度为法向方向，出口采用平均压力出口条件，给定出口参考平均压力。

3 CFD计算及试验结果分析3.1 外特性曲线分析图3，4分别为优化设计前后 CFD计算及试验结果的对比图。

11..。10.9n 巷图3 原加油泵 CFD数值计算及试验结果Fig.3 External characteristic performancecurves of datum pumpO/Lmin )图4 优化设计后加油泵 CFD数值计算及试验结果Fig.4 External characteristic performance cmwesof optimized pump从图中可以看出，优化前后的加油泵增压值曲线计算值与试验值吻合良好，但效率计算值要高于试验值 ，这主要是因为加油泵转速较高，其圆盘摩擦损失和容积损失较大，而 CFD计算时并没有考虑这些损失，因此 CFD计算得到的效率要大于试验