[发明专利]一种航空冷却泵叶轮平衡孔数值优化方法

说明书

本发明属于离心泵设计领域，特别指涉及一种航空冷却泵叶轮平衡孔数值优化方法。对于冷却泵的性能要求越来越严格，其中轴向力就是一个重要考核指标，需尽可能消除或减弱轴向力。本发明采用单一因素对航空冷却泵叶轮平衡孔参数进行数值优化，即：逐一分析与叶轮轴心平行的平衡孔直径、平衡孔位置、平衡孔角度，以及倾斜平衡孔直径、倾斜平衡孔角度对泵效率和叶轮内轴向力的影响规律，从而得到最优的平衡孔参数。提高航空冷却泵整体性能。

技术领域

本发明属于离心泵设计领域，特别指涉及一种航空冷却泵叶轮平衡孔数值优化方法。

背景技术

航空冷却泵主要用于飞机冷却循环提供冷却液，对飞机的整体性能有着重要影响，是现代飞机的重要部件之一。随着现代航空工业的发展，对于冷却泵的性能要求越来越严格，其中轴向力就是一个重要考核指标，需尽可能消除或减弱轴向力。

轴向力过大时会影响航空冷却泵的正常运行甚至产生严重的破坏作用。目前，对于平衡离心泵轴向力，多采用在在叶轮上开平衡孔的方法，但开平衡孔可能会导致泵效率的下降。因此，对航空冷却泵叶轮平衡孔的研究，有助于提升其整体性能，从而提高其安全性和经济性。然而目前离心泵平衡孔均采用的直平衡孔的方式，这种结构会影响平衡孔附近的叶轮内流动，会产生一定的冲击损失。

发明内容

本发明提出了一种航空冷却泵叶轮平衡孔数值优化方法，目的在于提高泵的效率并降低轴向力。

本发明航空冷却泵叶轮平衡孔数值优化方法，包括以下步骤：

S1、确定航空冷却泵的设计参数；

S2、初始水力设计，确定叶轮和蜗壳的几何参数；

S3、叶轮初始平衡孔结构设计，确定初始平衡孔的直径和位置；

S4、按几何参数加工叶轮和蜗壳，并搭建性能测试试验台，测试航空冷却泵的增压值，若不符合S1中的设计参数要求，返回步骤S2；

S5、对航空冷却泵内全流场计算域进行三维建模及网格划分，进行网格无关性检查，确定适合航空冷却泵内全流场非定常数值计算的最佳网格数；

S6、对航空冷却泵进行全流场非定常数值计算，得到航空冷却泵全流场数值；

S7、找出航空冷却泵全流场数值与航空冷却泵增压值的测试值误差最小的湍流模型，作为优化计算模型；

S8、以泵效率最高、叶轮内轴向力最小为优化目标，采用单一因素和权重归一化方法对航空冷却泵叶轮平衡孔的参数进行数值优化，得到所需平衡孔数值。

有利地，步骤S8中，建立航空冷却泵叶轮平衡孔数值优化的单目标函数：

式中，η_i为第i个优化方案下泵效率；F_ai为第i个优化方案下叶轮内轴向力；w₁为泵效率的权重因子；w₂为叶轮轴向力的权重因子；F_a0为初始设计方案下叶轮内轴向力。

有利地，对参数进行数值优化时，包括以下步骤：

S8.1、固定所述初始平衡孔位置，调整所述初始平衡孔直径，计算各方案的单目标函数，选取性能最优组合的直平衡孔直径；

S8.2、固定直平衡孔直径，调整所述初始平衡孔位置，计算各方案的单目标函数，选取性能最优组合的直平衡孔直径和直平衡孔位置；

S8.3、固定直平衡孔直径和直平衡孔位置，调整直平衡孔偏置角度，计算各方案的单目标函数，选取性能最优组合的直平衡孔直径、直平衡孔位置和直平衡孔偏置角度作为直平衡孔的优化参数；