航空發動機三齒輪燃油泵空化特性研究

吳博，柯詩毅，王彬，葉志鋒

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210001)

0 引言

高功率密度一直是航空發動機燃油部件的追求目標，因此燃油泵需要工作在高轉速工況，伴隨而來的空化、氣蝕問題十分突出，限制了齒輪泵的效率及壽命。對齒輪泵的空化特性進行研究有助于齒輪泵的正向設計。而多從動輪的齒輪泵(如三齒輪結構)不僅有利于提高功率密度，還能夠平衡齒輪徑向力，減輕軸承載荷，有利于延長泵的壽命。

得益于計算機的發展以及計算流體力學(CFD)理論與技術的不斷完善，對流體機械內流場進行數值模擬已經成為一種常用的研究方法。葉衛東等[1]采用數值計算的方法對變徑防氣抽油泵氣液兩相流場進行模擬，研究抽油泵在上下沖程不同時刻內流場的流動狀態。關于外嚙合兩齒輪泵的空化特性、流量特性等，國內外學者也開展了諸多研究[2-4]。日本MATSUNAGA Y等[5]設計了一種以三齒輪泵和切換閥所組成燃油熱管理系統，并通過試驗得到其穩態時流量-壓力特性、開關特性等。但關于三齒輪泵的空化特性研究尚未涉及。

本文以兩款三齒輪泵設計方案為例，通過改變吸油壓力、泵的轉速及密封段形式對三齒輪泵內部空化特性進行研究，并與傳統的兩齒輪泵進行對比。

1 數值模擬模型

3種方案的齒輪泵三維油液模型如圖1所示，圖中淺藍色和褐色區域分別為吸油腔和排油腔卸荷槽，深藍色和紅色區域分別為進出口油路(本刊黑白印刷，相關疑問咨詢作者)。其主要設計參數如表1所示。

圖1 兩齒輪及三齒輪燃油泵三維油液模型

表1 齒輪泵主要設計參數

2 數值模擬參數

應用Fluent對齒輪泵兩相流動進行數值模擬，采用非定常計算。在齒輪泵網格運動時，例如在嚙合區附近的區域，其邊界運動將導致網格體積發生變化，需采用動網格技術對網格進行變形及重構。

忽略軸向間隙，僅考慮徑向間隙對流場的影響，設置徑向間隙0.1 mm。控制方程除連續方程、動量方程外，還包含湍流計算方程及空化模型。其中湍流采用標準k-e雙方程模型，結合壁面函數進行計算；空化模型采用Zawart-Gerber-Belamri[6]模型。具體參數如表2所示。

表2 齒輪泵兩相流動數值模擬參數設置

3 結果分析

3.1 空化規律及流量變化規律

三齒輪泵進出口各有兩個，由于是對稱設計，兩個出口流量理論上僅存在相位差，故而其中一個出口流動規律進行研究。

圖2中各圖分別為兩齒輪泵及三齒輪泵在不同進口壓力下的供油量。前兩個周期中，所研究的工況進出口壓差變化不大，其流量相差不大。經過3個周期后，0.05 MPa進口壓力下流量開始顯著下降，而進口壓力0.1 MPa下流量穩定波動在一個范圍內。對三齒輪泵，在低進口壓力下流量呈現大幅脈動。進口壓力越低，空化產生的脈動持續越久，波動幅度越大。吸油腔壓力提升后，供油量較為平穩。

圖2 兩齒輪泵及三齒輪泵在不同進口壓力下流量曲線

如圖3(a)-圖3(b)所示，第3到第4個周期，空化區域隨齒輪轉動，逐漸被油液填充，使得供油量開始顯著下降。如圖3(c)-圖3(d)所示，第5和第6周期內兩相分布基本相同，運動趨于規律穩定，此時流量也穩定在一個范圍內。圖4為三齒輪泵過渡段空化區轉動至排油腔時氣液兩相分布圖，三齒輪泵每轉過一個齒，中心輪過渡段齒谷內蒸汽由于高壓進入液相，液體迅速填充空化區域，使得出口回流，在流量上呈現時間較短、幅值較大的脈動。

圖3 兩齒輪泵第3-6個周期內(進口壓力0.05 MPa)氣液兩相分布云圖

圖4 三齒輪泵過渡段空化區轉動至排油腔時氣液兩相分布圖

圖5是兩種齒輪泵流動穩定后氣液兩相分布及速度矢量圖，三齒輪泵空化區域較兩齒輪泵多。從速度矢量圖中可以看出，間隙處流動速度較大。三齒輪泵中心輪過渡段較短，間隙兩端直接作用高低壓腔的壓差，使得間隙處流動速度較大，更易空化。

圖5 兩種齒輪泵流動穩定后氣液兩相及速度矢量分布云圖

3.2 不同進口壓力及轉速對兩齒輪泵及三齒輪泵容積效率的影響

設置不同進口壓力及轉速，通過數值模擬得到兩齒輪泵及三齒輪泵的容積效率，并繪制成柱狀圖如圖6所示。其中，藍色、綠色、黃色分別代表兩齒輪泵、三齒輪泵A及三齒輪泵B。

圖6 不同工況下三種泵的容積效率

由圖6(a)可以看出，兩齒輪泵在低進口壓力下容積效率較三齒輪泵高。進口壓力為0.05 MPa時，兩齒輪泵容積效率最高，三齒輪泵A容積效率為0%，三齒輪泵B容積效率為21.1%。三齒輪泵A中心輪密封段齒數較少，密封段間隙處壓差較大，流速大，使得三齒輪泵A空化現象較三齒輪泵B嚴重。兩齒輪泵沒有中心輪密封段，因此空化較輕，容積效率高。

三者容積效率在這個進口壓力區間內均存在較為明顯的變化，其轉折點壓力P1有：P1兩齒輪泵

進口壓力高于0.1 MPa后，三者容積效率變化不大，此時空化現象減輕，流量主要受泄漏影響，齒寬對容積效率起主導作用，三齒輪泵齒寬較小，在高進口壓力下容積效率更高。

由圖6(b)可以看出，在10 000～15 000 r/min時，兩齒輪泵容積效率隨轉速提高而提高，此時空化現象較輕，轉速提高提高了理論流量，也減少了泄漏，提升了容積效率。轉速為15 000 r/min時，其容積效率提升至80.3%。

對三齒輪泵A，在10 000～15 000 r/min時，容積效率不再隨轉速單調變化，轉速提升時，其齒頂運動速度增大，進口處空化加重。轉速為15 000 r/min時容積效率最高，為74.8%。

對三齒輪泵B，在10 000～15 000 r/min時，轉速提高，進口空化加重，其容積效率隨轉速提高而下降，在11 000～13 000 r/min之間容積效率變化較大，容積效率下降了36.4%。

三種齒輪泵齒頂運動速度Vd具有如下關系式：Vd兩齒輪泵

3.3 不同中心輪密封段形式對三齒輪泵空化特性及流量特性的影響

為研究中心輪密封段形式對三齒輪泵空化特性及流量特性的影響，設計3種密封段形式來對比。其中，密封段形式1、形式2為1.5齒密封，密封段形式1的密封區域靠近高壓腔，密封段形式2的密封區域靠近低壓腔。密封段形式3為2齒密封形式。具體形狀如圖7所示。

圖7 三種中心輪密封段形式

圖8為1.5齒密封時，兩種密封段形式的三齒輪泵流量曲線。灰色為密封段形式1的泵流量曲線，黑色線為密封段形式2的泵流量曲線。從圖中可以看出，兩者流量接近，采用密封段形式1的泵流量稍高于采用密封段形式2的泵。前者流量曲線的峰值出現在轉動周期的前半段，而后者的峰值則出現在轉動周期的后半段。其曲線上的差異是由于密封段形式不同導致空化區域轉動至排油腔時間點不同所造成的。而采用密封段形式3的泵流量出現周期性波動，其流量不僅在每個齒轉動后波動一次，且整體上還存在與泵轉動一周相同周期的脈動。

圖8 采用不同密封段形式的泵的流量曲線

3種密封段形式容積效率不同，采用2齒密封段形式容積效率最高，為66.8%，而采用1.5齒偏低壓區密封段形式容積效率最低，為61.1%。采用1.5齒偏高壓區密封段形式容積效率為63.2%。

4 結語

1)三齒輪泵較兩齒輪泵多了一個從動輪，對中心輪而言，其過渡區密封段較短，過渡區平均壓差較大，泄漏速度快，較兩齒輪泵更易空化。在低進口壓力下，其容積效率較兩齒輪泵低。

2)在保證一定進口壓力下，三齒輪泵齒寬可以更小，泄漏減小，其容積效率能更高。在低進口壓力時，三齒輪泵中心輪密封段的密封齒數對其容積效率影響較大。

3)轉速為10 000～15 000 r/min區間內，兩齒輪泵容積效率隨轉速提高而提高，三齒輪泵B齒頂運動速度較快，空化較為嚴重，其容積效率隨轉速提高而減小。

4)對三齒輪泵而言，其中心輪密封段設計結構對其流量特性及空化特性有顯著的影響。采用兩齒密封能夠提升其容積效率，但會導致其流量上產生與轉速相同頻率的大幅脈動。采用將密封段偏向排油腔的設計較采用將密封段偏向吸油腔的設計，其容積效率更高。