静音之道：基于CFD与试验验证的航空离心式燃油泵流体降噪技术

航空燃油泵作为飞机燃油系统的核心部件，其性能直接关系到飞行安全与机组工作环境。随着现代航空技术的发展，对燃油泵的要求已不仅限于满足基本的流量与压力需求，振动噪声控制已成为衡量其综合性能的关键指标。特别是对于加油机等特种飞机，燃油泵通常位于机身油箱内，过大的噪声会严重影响机组人员执行长时间空中加油任务的工作效率与舒适度。因此，开展航空燃油泵流体降噪技术研究具有重要的理论价值和工程意义。

航空燃油泵主要采用离心式叶片泵设计方案，这种泵型具有结构简单、可靠性高、体积小、重量轻、效率高、流量大、适应高转速等优点。然而，随着飞机机组人员及其他乘员对环境舒适性要求的提高，机载设备的振动噪声控制越来越受到重视。在离心泵中，流体动力学噪声是主要噪声源，其产生机制复杂，涉及流场内部的压力脉动、涡旋脱落及转子-静子干涉等多种物理过程。根据研究，泵内动静干涉所引起的压力脉动是引起内部振动和噪声的主要因素，对混流泵外场噪声进行数值计算发现，将叶片表面的压力脉动作为声源，流致噪声的主频为压力脉动的主频和固有频率的叠加，场内的压力脉动幅值越大，对应的流致噪声辐射水平越高。

本文以某型加油机燃油泵为研究对象，该泵在额定流量时噪声测量值为86.1 dB，虽处于合格范围，但仍高于良好标准。通过系统的噪声测试、流场数值模拟和理论分析，探究其噪声产生机理，并提出有效的减噪改进措施，最终实现噪声降低6.5 dB的目标，为同类产品的低噪声设计提供技术参考。

一、航空燃油泵结构与工作原理

航空燃油泵是一种典型的旋转流体机械，本文研究的燃油泵主要由进口管、叶轮、导叶、壳体和出口管等部件构成。其工作原理为：燃油由进口进入叶轮，通过叶轮旋转作用将机械能传递给流体，使燃油的动能和压力能增加，改变流动方向后，经导叶和蜗形壳体收集进一步增压，最后从出口管排出。该燃油泵的主要设计参数为：输入功率26 kVA，额定转速7 800 r/min，额定流量1 150 L/min，额定增压值≥520 kPa，泵效率0.65，全工况下增压值≤690 kPa，额定流量时噪声值要求不大于80 dB。

在离心泵中，叶轮作为核心旋转部件，其设计直接影响泵的性能和噪声特性。叶轮通过高速旋转产生离心力，使流体获得能量。而导叶作为静止部件，主要功能是将叶轮出口的流体动能转化为压力能，并减少流动损失。当流体通过叶轮和导叶之间的间隙时，会产生强烈的转子-静子干涉效应，这种动静干涉是导致流场压力脉动和噪声产生的主要原因。

离心泵的噪声源主要包括机械噪声、流体噪声和空化噪声。其中，流体噪声是由流场内部非稳态流动引起的，表现为压力脉动和涡旋运动。根据涡声理论，涡旋的生成、发展和破碎过程会产生噪声，特别是在叶尖泄漏涡（TLV）和尾迹区等流动复杂区域。在航空燃油泵中，由于转速高、流量大，流体噪声尤为显著，成为减噪设计的重点关注对象。

二、噪声测试与流体噪声分析

2.1 噪声测试方法及结果

为准确评估燃油泵的噪声特性，研究按照《泵的噪声测量与评价方法》相关标准进行测试。测试环境为飞机地面系统试验条件，使用精密声学测量设备采集噪声数据。根据标准，燃油泵噪声评价分为四个等级：不大于79.7 dB为优秀，79.7 dB至85.7 dB为良好，85.7 dB至91.7 dB为合格，大于91.7 dB为不合格。实测结果显示，额定流量时噪声值为86.1 dB，属于合格范围但未达到良好标准。

对噪声信号进行频谱分析是识别噪声源和揭示噪声产生机理的重要手段。测试结果表明，噪声能谱中存在明显的主频为780 Hz，该频率正好等于叶片通过频率（Blade Passing Frequency，BPF）。计算公式为f_BPF=Z_r×f_n=6×130 Hz=780 Hz，其中Z_r为叶片数，f_n为转动频率。此外，频谱中还观察到明显的二次谐波频率1560 Hz（2×f_BPF），以及更高阶的谐波成分，这表明噪声产生与叶轮旋转引起的周期性流动扰动直接相关。

2.2 数值模拟设置

为深入探究燃油泵内部流场特性及其与噪声的关系，研究采用了计算流体动力学（CFD）方法进行数值模拟。计算域包括从进口管到出口管的完整流道，采用多参考坐标系（MRF）方法处理旋转的叶轮域和静止的导叶域之间的相互作用。湍流模型选用适用于泵内复杂流动的SST k-ω模型，该模型能准确预测逆压力梯度下的流动分离和涡旋运动。

网格划分采用混合网格策略，在叶轮、导叶等流动复杂区域进行局部加密，确保近壁面y+值在适宜范围内。边界条件设置如下：进口给定质量流量，出口给定静压，壁面采用无滑移边界条件。数值计算采用定常和非稳态两种方法，定常计算用于获取外特性曲线，非稳态计算用于分析压力脉动特性。

2.3 外特性数值模拟与试验对比

通过不同流量条件下的数值模拟，获得了泵的性能曲线，并与试验值进行了对比。结果显示，模拟值和试验值变化趋势基本相同，验证了数值模型的可靠性。值得注意的是，计算值普遍略高于试验值，这是由于数值模拟未考虑容积损失、机械摩擦损失等实际因素，且简化了泵排气通道等复杂结构。

为满足全工况下最大增压值均小于690 kPa的设计要求，研究中对叶轮叶形进行了改进优化。这使得实际性能曲线与一般离心泵单调下降的趋势稍有不同，在小流量区域表现出特殊的非线性特性。

2.4 压力脉动及径向力分析

为探究燃油泵内部流场的不稳定性，在叶轮和导叶之间、蜗壳隔舌处等关键位置布置了压力脉动监测点。监测数据显示，叶轮和导叶之间在780 Hz频率处存在明显的压力脉动，同时伴随着三倍频（2340 Hz）和四倍频（3120 Hz）等叶片通过频率的谐振频率。这表明叶轮和导叶之间的静动翼干涉导致了较为强烈的流体冲击。叶片通过频率下的脉动幅值最高达到了55.3 kPa，约为额定流量下增压值的10%，如此高幅值的压力脉动是导致流体噪声的主要原因。

在蜗壳隔舌位置，压力脉动频谱同样显示出以叶片通过频率为主的特征，并伴随高倍频谐波成分，但脉动幅值最高为15.7 kPa，明显小于叶轮-导叶干涉区域的脉动。这表明静动翼干涉效应随着流动向下游传递而逐渐衰减，但仍对蜗壳内的流动产生显著影响。

此外，研究还分析了径向力的特性。径向力是由叶轮周围压力分布不均引起的，它不仅影响轴承寿命，还会激发振动噪声。分析发现，原始设计的叶轮在非设计工况下径向力较大，这也是导致振动噪声的重要原因之一。

三、燃油泵噪声改进设计

3.1 减噪措施

基于噪声测试和流场分析结果，针对燃油泵的噪声问题，研究提出了系统性的减噪措施。首先，从降低压力脉动的角度，采取了以下关键技术：

增加叶轮和导叶叶片数。通过适当增加叶片数，可以改善叶轮与导叶之间的干涉条件，减少流动分离和涡旋脱落，从而降低压力脉动幅值。研究表明，叶片数的合理增加能使叶频处的压力脉动降低20%以上。

采用叶片交替加载技术。这一技术通过调整叶轮或导叶的叶片间距，使其非均匀分布，从而打破强烈的周期性干涉，将能量集中在单一叶频的脉动分散到多个频率，降低主频处的脉动幅值。实验证明，采用交错叶片布置可以使压力波动降低50%。

其次，从优化流场结构出发，对叶轮和导叶的叶型进行了改进：

优化叶片型线设计。通过调整叶片进口角和出口角，减少流动冲击和分离；优化叶片载荷分布，降低叶尖区域的涡流强度。特别是在叶尖区域，叶尖泄漏涡（TLV）是重要的噪声源，其形成于叶片前缘附近，随着向下游发展逐渐减弱。优化设计能有效控制TLV的发展，降低噪声源强度。

应用波纹叶片后缘（wavy BTE）。研究表明，与原始直后缘相比，波纹后缘能有效抑制叶片后缘在多尺度上产生的噪声源，在旋转频率和二次叶片通过频率（2BPF）处，前两种主导模式的总能量分别降低约20.75%和8.35%。这种设计改变了涡旋脱落模式，减少了后缘噪声。

此外，针对径向力平衡的优化也进行了考虑：

调整叶轮出口结构。通过微调叶片出口角度和叶片包角，使叶轮周围的压力分布更加均匀，减小径向力。同时，优化蜗壳隔舌型线和位置，减少叶轮与隔舌的干涉强度。

3.2 外特性数值模拟及对比分析

实施减噪措施后，对改进设计的燃油泵进行了全面的数值模拟，以评估其性能变化。模拟结果显示，改进设计后泵的效率曲线更加平坦，高效区范围扩大，特别是在小流量工况下，效率提升更为明显。这是由于叶片数的增加和叶型的优化改善了内部流动状况，减少了流动损失。

扬程-流量特性也发生了积极变化。改进设计后，在额定工况点扬程基本保持不变，但在大流量区域扬程下降趋势更为平缓，这提高了泵在大流量工况下的适应能力。同时，全工况范围内的增压值均满足不超过690 kPa的设计要求。

值得注意的是，减噪优化并未以牺牲水力性能为代价，相反，通过流场优化，泵的综合性能得到了全面提升。这证明基于流动机理的减噪设计能实现噪声与性能的协同优化。

3.3 压力脉动及径向力对比分析

改进设计后，对同一位置的压力脉动进行了对比分析。结果显著表明，叶轮和导叶之间的压力脉动幅值大幅降低，在叶片通过频率(780 Hz)处，脉动幅值从55.3 kPa降至38.7 kPa，降幅达30%。同时，高频谐波成分的幅值也有明显降低。这说明采用的减噪措施有效抑制了静动翼干涉强度，改善了流场稳定性。

在蜗壳隔舌处，压力脉动同样显著降低，主频幅值从15.7 kPa降至10.2 kPa，降幅约35%。且高阶谐波成分减少更为明显，这表明优化设计不仅降低了源头的压力脉动，也减弱了脉动沿流道的传递。

径向力分析结果显示，改进后的叶轮在各个工况下的径向力幅值均有降低，特别是在非设计工况下，降幅更为显著。这得益于叶轮出口流的均匀化改善和蜗壳匹配的优化，使叶轮周围的压力分布更加均衡。

四、试验验证

4.1 外特性测试结果分析

为验证改进设计的实际效果，加工制造了优化后的燃油泵样机，并进行了全面的试验测试。外特性测试结果显示，改进设计后泵的效率显著提升，额定点效率从65.0%提高至68.2%，增幅达4.9%。这与数值模拟结果趋势一致，证实了流场优化的有效性。

流量特性曲线显示，改进设计后在整个流量范围内的扬程均有适当增加，且全工况扬程均满足设计指标要求。特别值得关注的是，性能曲线的稳定性得到改善，尤其是在小流量区域，扬程波动明显减小，这表明内部流动更加稳定。

性能提升的主要原因可归结为：叶片数的增加改善了流动导向性，减少了流动分离；叶片型线的优化降低了冲击损失和涡流损失；而叶轮与导叶的匹配优化则减少了转子-静子干涉损失。这些措施共同作用，不仅实现了减噪目标，还提升了泵的水力效率。

4.2 噪声测试结果分析

噪声测试是检验减噪效果的最直接手段。对比测试结果显示，改进后燃油泵的噪声水平显著降低，额定流量下的噪声从86.1 dB降至79.6 dB，降幅达6.5 dB，成功从合格等级提升至良好等级，接近优秀标准。

频谱分析显示，改进后噪声在叶片通过频率（780 Hz）处的峰值明显降低，这表明静动翼干涉引起的噪声得到了有效抑制。同时，二次谐波（1560 Hz）及其高阶谐波的幅值也有显著下降。此外，宽频噪声成分也有所减少，这得益于流动分离和涡旋脱落的减弱。

噪声测试结果充分验证了改进措施的有效性，特别是针对静动翼干涉噪声的抑制效果显著。这为同类产品的低噪声设计提供了可靠的技术路径和实验依据。

五、总结与展望

本研究针对某型航空燃油泵存在的噪声问题，通过系统的测试分析、数值模拟和理论探讨，深入揭示了其噪声产生机理，并提出了有效的减噪改进方案。主要研究成果如下：

首先，通过噪声测试和频谱分析，确定了燃油泵噪声的主要来源是叶轮和导叶之间的静动翼干涉引起的压力脉动，噪声主频为叶片通过频率780 Hz，并伴有明显的高次谐波成分。

其次，基于CFD数值模拟，详细分析了泵内部流场特性，发现在叶轮和导叶之间的区域存在高强度压力脉动，幅值达额定增压值的10%，这是导致流体噪声的根本原因。

最后，针对噪声源特性，提出了增加叶片数、采用叶片交替加载技术、优化叶片型线和应用波纹叶片后缘等综合减噪措施。试验验证表明，改进设计后泵的噪声降低了6.5 dB，同时效率和扬程特性也有改善，实现了噪声与性能的协同优化。

本研究证实，基于流动机理的减噪设计能有效解决航空燃油泵的噪声问题，为同类产品的低噪声优化提供了可靠的技术路径。未来研究可进一步探索新型流动控制策略和智能降噪技术，如多赫姆霍兹谐振器（MHR）概念和自适应结构设计，在不同工况下实现更优的降噪效果，同时关注多物理场耦合特性，全面优化燃油泵的综合性能。

航空燃油泵作为航空航天流体控制系统的关键部件，其减噪技术研究必将随着航空技术的进步而不断发展，为提升飞行器环境舒适性和可靠性提供持续技术支持。这一研究方向融合了流体力学、声学、材料科学等多学科知识，体现了现代航空工程中多学科交叉融合的发展趋势。

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