燃油葉片泵容積效率與轉(zhuǎn)速關(guān)系研究

王志泳，劉亞俊，王維，鄔國(guó)秀

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東廣州510640;2.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)441053)

自從1885年Sylvanus F.Bowser發(fā)明了葉片泵［1］，泵的效率問(wèn)題被持續(xù)關(guān)注。目前，葉片泵作為動(dòng)力元件，被廣泛應(yīng)用于燃油輸送系統(tǒng)中，但是針對(duì)此應(yīng)用的葉片泵容積效率的研究并不廣泛。文獻(xiàn) ［2－3］對(duì)燃油加注過(guò)程中汽油蒸汽壓減少的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，而文獻(xiàn) ［4－8］的研究重點(diǎn)雖然是泵的效率，但是其泵送的介質(zhì)卻是具有高黏度的液壓油(運(yùn)動(dòng)黏度通常大于10×10－6m2/s)。汽油作為加油站最常加注的兩種成品油之一，它具有很低的運(yùn)動(dòng)黏度 (在室溫下，通常低于0.5×10－6m2/s)。柴油的運(yùn)動(dòng)黏度一般是3.0～8.0×10－6m2/s。而水的運(yùn)動(dòng)黏度是1.0 ×10－6m2/s。

根據(jù)Daniel Deneen的研究結(jié)果 (如圖1)可知，對(duì)于低黏度介質(zhì)，容積效率決定泵送效率。因此，針對(duì)燃油輸送系統(tǒng)中低黏度燃油，研究容積效率即可正確反映出泵送效率。

圖1 泵的效率與轉(zhuǎn)速曲線

文獻(xiàn) ［9］研究了泵容積效率與壓差之間的關(guān)系。而文獻(xiàn) ［10］在研究容積效率與壓差之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了溫度影響?zhàn)ざ?，?dǎo)致泄漏量變化，從而最終影響容積效率的現(xiàn)象。文獻(xiàn) ［11］研究了容積效率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，但是基于靜液傳動(dòng)系統(tǒng)，并且介質(zhì)黏度是水的10倍以上。葉片泵在使用中常用來(lái)泵送低黏度介質(zhì)，但基于低粘度介質(zhì)的泵送效率、泵送效率與轉(zhuǎn)速等方面的研究還很不深入。

低黏度介質(zhì)的泵送效率偏低，例如:汽油的泵送效率不超過(guò)25%，而柴油的泵送效率也不超過(guò)45%。因此，本文作者以燃油為泵送介質(zhì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究葉片泵泵送效率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，為提高葉片泵的泵送效率提出優(yōu)化建議。

1 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究葉片泵容積效率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，建立了以下泵送系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。圖2為該測(cè)試平臺(tái)的原理圖。在該泵送系統(tǒng)中，泵的進(jìn)出口分別裝有壓力表，用于測(cè)量進(jìn)出口處的油液壓力。其量程為0～2 MPa，精度0.5%。在泵的出口端距離出口壓力表不遠(yuǎn)處裝有流量傳感器6，用于測(cè)量油液的流量，其量程為0～100 L/min，精度0.3%。測(cè)量的流量數(shù)據(jù)將顯示在計(jì)算機(jī)2處。其中葉片泵的轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度為b=57.074 mm，轉(zhuǎn)子與定子間偏心距為e=4.76mm，定子內(nèi)圓直徑D=98.506 mm。泵送介質(zhì)為汽油和柴油。

圖2 泵送系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)為泵的輸出流量Qd和轉(zhuǎn)速n。根據(jù)葉片泵的容積效率公式 (1)來(lái)研究容積效率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

式中:Qt為理論流量;

Qd為輸出流量;

V為泵的幾何排量;

n為泵的轉(zhuǎn)速。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，重點(diǎn)闡述在轉(zhuǎn)速改變的情況下，葉片泵泵送汽油和柴油時(shí)，其流量與容積效率變化情況。

圖3為葉片泵的泵送流量－轉(zhuǎn)速特性曲線。從圖中可以看到，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，泵送汽油的流量與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到一定值后，轉(zhuǎn)速的增大并未使泵送汽油的流量發(fā)生改變，流量保持在一個(gè)平衡態(tài)。此時(shí)，泵進(jìn)流量遠(yuǎn)大于平衡態(tài)流量，兩者差值通過(guò)泄漏保持平衡態(tài)。對(duì)于柴油，在允許的最大加注流量范圍內(nèi)時(shí)，泵送流量與轉(zhuǎn)速始終成正比。由此可見(jiàn)，液體介質(zhì)的黏度越小，則泄漏量就越大。

圖3 葉片泵的泵送流量與轉(zhuǎn)速特性曲線

圖4為葉片泵的容積效率－轉(zhuǎn)速特性曲線。從圖中反映在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，泵送汽油時(shí)的容積效率與轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到一定值時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大容積效率點(diǎn)，之后盡管轉(zhuǎn)速增加，但容積效率呈不增反減之勢(shì)。從泵送柴油時(shí)的容積效率曲線來(lái)看，其曲線趨勢(shì)與泵送汽油的一致，但其最大的泵送容積效率幾乎為泵送汽油的2倍。此外，從圖4又可以看出，液體介質(zhì)的黏度越低則其泵送容積效率也越低。

圖4 葉片泵的容積效率與轉(zhuǎn)速特性曲線

一般情況下，泵的泄漏量應(yīng)該正比于壓力差。當(dāng)轉(zhuǎn)速不斷增大時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生的壓差也會(huì)越大，那么泵的泄漏量也會(huì)越大，因此容積效率應(yīng)該是不斷下降。但是從圖4泵送燃油的容積效率曲線來(lái)看，只有后半部分符合這種推測(cè)。既然葉片泵在泵送燃油時(shí)容積效率會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而呈現(xiàn)先增加后減少的現(xiàn)象，那么就可以根據(jù)該現(xiàn)象來(lái)設(shè)計(jì)泵的額定工作轉(zhuǎn)速，以便提高泵送效率。

3 結(jié)論

(1)葉片泵的容積效率與泵送油液的黏度緊密相關(guān)。黏度越小，則泵送容積效率就越低。對(duì)于汽油這種低黏度的油液，其泵送容積效率是非常低的。

(2)發(fā)現(xiàn)了隨著轉(zhuǎn)速的增加，葉片泵的容積效率會(huì)出現(xiàn)先增加后減少的現(xiàn)象。目前尚未能解析這種現(xiàn)象，日后需要對(duì)此做更深入的研究。

(3)可以根據(jù)容積效率與轉(zhuǎn)速曲線設(shè)計(jì)泵的額定工作轉(zhuǎn)速，以便提高泵送效率。

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