某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵供油級(jí)最佳進(jìn)口面積的確定研究

楊振軍，李文，張嶺

（新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司103廠，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 前言

滑油系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的組成部分，滑油泵的性能直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的性能。好的泵結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)目諝夂繉⒛軌虼蟠筇嵘捅玫墓┯湍芰Α⑿省⒖箽馕g性能等。

目前，國內(nèi)外研究泵抗氣蝕和泵的性能的文章較多，多數(shù)均是針對(duì)工作介質(zhì)為水的葉片泵展開的研究。而針對(duì)工作介質(zhì)為滑油的齒輪泵的研究則較少出現(xiàn)。王玉勤、丁澤文等人針對(duì)某型號(hào)的化工離心泵，選取葉輪進(jìn)出口直徑、葉片進(jìn)出口安放角、和葉片包角5個(gè)參數(shù)，通過PumpLinx進(jìn)行數(shù)值計(jì)算確定出了最佳的一組方案，提高了泵的抗氣蝕性能。吳仁榮通過實(shí)驗(yàn)證明了適當(dāng)增大葉輪進(jìn)口的液流過流面積將會(huì)減弱泵的氣蝕，過分增大葉輪進(jìn)口面積將會(huì)在進(jìn)口處生成旋渦和回流，不利于氣蝕性能的改善，而且會(huì)給泵的效率降造成不利影響。

張學(xué)超通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)采用適當(dāng)加大葉輪進(jìn)口直徑，延伸葉片進(jìn)口邊，加大葉片的進(jìn)口寬度，能夠提高泵的抗氣蝕性能，并且當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇合適的時(shí)候，同時(shí)在保證氣蝕性能好的前提下可使泵獲得較高的效率值。蔣旭松、王者文等人通過數(shù)值模擬方法研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增大喉部面積可以提高泵氣蝕性能。徐維暉、候曉等人通過數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)口壓力為81.06kPa和101.33kPa時(shí)，減小壁面粗糙度對(duì)改善齒輪泵性能有更顯著的效果。Singhal等人基于Rayleigh-Plesset 方程提出了Singhal空化模型。適合比較復(fù)雜的空化流計(jì)算，該模型已經(jīng)被大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具可作為數(shù)值計(jì)算的理論依據(jù)。劉宜、趙希楓等人采用了對(duì)離心泵內(nèi)全流道三維空化流動(dòng)，采用Singhal等人發(fā)展的一種三維混合流體完整化的湍流模型，基于RNG的k-模型和SIMPLEC算法，進(jìn)行了定常和非定常數(shù)值模擬，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

本文基于Singhal 提出的全空化模型，對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在進(jìn)出口壓力一定的情況下，分析泵的入口面積及滑油中空氣含量對(duì)泵抗氣蝕性能、效率、出口流量的影響。本文采用數(shù)值計(jì)算方法借鑒了相關(guān)研究滑油泵氣蝕的文獻(xiàn)所采用的計(jì)算方法，其可靠性已經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 計(jì)算模型和方法介紹

2.1 計(jì)算模型

本文研究對(duì)象為航空發(fā)動(dòng)機(jī)某型滑油泵供油級(jí)齒輪泵，為內(nèi)嚙合齒輪泵，圖1為滑油泵供油級(jí)兩齒輪嚙合。內(nèi)外齒輪齒數(shù)分別為4和5。內(nèi)齒輪和外齒輪的偏心距為4.5mm。

圖1 內(nèi)外齒輪嚙合

通過提取獲得了齒輪泵供油級(jí)的流體域，具體結(jié)構(gòu)如圖2。將流體域分為3部分，分別為進(jìn)口段、出口段和轉(zhuǎn)子區(qū)域。進(jìn)、出口直徑為36mm和18mm，內(nèi)外嚙合齒輪間的流體域部分如圖2中白色齒輪形狀部分。供油級(jí)共有兩級(jí)齒輪對(duì)，共用一個(gè)進(jìn)口和出口。

圖2 流體域

2.2 網(wǎng)格劃分

將網(wǎng)格劃分為三個(gè)部分，入口段和出口段流體域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動(dòng)生成，兩齒輪嚙合區(qū)域及轉(zhuǎn)子區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，三個(gè)部分流體域體網(wǎng)格數(shù)目之和約為70萬。其中，進(jìn)、出口段為靜網(wǎng)格區(qū)域，轉(zhuǎn)子區(qū)域?yàn)閯?dòng)網(wǎng)格區(qū)域。整個(gè)流體域網(wǎng)格如圖3。

圖3 全流體域網(wǎng)格

2.3 計(jì)算方法及輸入條件

本文采用三維非定常計(jì)算方法對(duì)滑油泵供油級(jí)進(jìn)行計(jì)算，基于全空化模型和標(biāo)準(zhǔn)的k-湍流模型，采用SIMPLES算法進(jìn)行求解，來預(yù)測(cè)泵內(nèi)氣蝕現(xiàn)象以及泵的性能。

壁面附近選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，并給定泵的進(jìn)口、出口壓力及轉(zhuǎn)速。通過改變泵的進(jìn)口直徑來改變泵的進(jìn)口面積及滑油中空氣含量，來研究兩個(gè)因素共同作用對(duì)泵抗氣蝕性能及效率和流量的影響。

其中數(shù)值計(jì)算不變的邊界參數(shù)為：進(jìn)口壓力為0.08MPa，出口壓力0.6MPa，固定轉(zhuǎn)速6500rpm。

固定進(jìn)口面積，改變含氣量；固定含氣量，改變進(jìn)口面積（通過固定出口直徑，改變進(jìn)、出口直徑比體現(xiàn)）。

計(jì)算采用的進(jìn)口直徑大小有四組分別為Din/Dout=1.4、1.6、1.8、2.0。

滑油中空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為3×10-5～23.74×10-5，共5組，每組具體的空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)見結(jié)果與討論中的表2。滑油物性如表1。

表1 工質(zhì)物性

當(dāng)進(jìn)出口時(shí)均質(zhì)量流量在5%誤差內(nèi)且基本保持不變時(shí)，認(rèn)為數(shù)值計(jì)算已經(jīng)收斂。圖4即為某工況下數(shù)值模擬的進(jìn)出口時(shí)均質(zhì)量流量和進(jìn)出口凈流量和的收斂曲線。

圖4 進(jìn)出口時(shí)均質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化

3 結(jié)果與討論

3.1 不同進(jìn)口面積下滑油泵抗氣蝕性能對(duì)比分析

本文通過顯示與氣泡破滅有關(guān)的能量耗散值來表示潛在可能的氣蝕損傷。使用Damage Power（W）來判定氣蝕是否發(fā)生，以Damage Power的值為Gcr=5W來作為氣蝕發(fā)生的臨界值，即當(dāng)Damage Power值G≥Gcr時(shí)，此處可能發(fā)生氣蝕；Damage Power值G＜Gcr，此處可能無氣蝕發(fā)生。將標(biāo)尺最大值調(diào)為5W，圖5氣蝕云圖中紫色區(qū)域即為G≥Gcr的區(qū)域，即為數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的潛在氣蝕位置。需要注意的是，氣蝕的臨界值5W僅僅是預(yù)測(cè)氣蝕可能發(fā)生的一個(gè)能量指標(biāo)，也就是說，氣蝕云圖中紫色區(qū)域僅僅是可能發(fā)生氣蝕的位置，具體位置是否真的發(fā)生氣蝕還和金屬表面的材料強(qiáng)度及表面處理方式有關(guān)。

圖5 Din/Dout =1.4，6500rpm下氣蝕分布（轉(zhuǎn)子一圈內(nèi)）

如圖5，為轉(zhuǎn)速6500rpm，入口壓力為0.08MPa，出口壓力為0.6MPa，滑油中空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.5×10-5，泵的進(jìn)、出口直徑比為1.4時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈下，截取的不同角度下出現(xiàn)潛在氣蝕的位置。可以看出，可能發(fā)生的氣蝕位置出現(xiàn)在兩齒輪嚙合的流體域端面、內(nèi)側(cè)及外側(cè)，其中流體域端面對(duì)應(yīng)的固體壁面為用于隔開兩級(jí)齒輪的擋板壁面；流體域內(nèi)、外側(cè)對(duì)應(yīng)的是內(nèi)齒輪的外側(cè)表面和外齒輪的內(nèi)表面。對(duì)于齒輪來說，一般強(qiáng)度較高，表面且均會(huì)做強(qiáng)化處理，因此，在真實(shí)的情況下，可能流體域的端面處相較于流體域內(nèi)側(cè)更有可能真實(shí)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

圖5～8分別為進(jìn)、出口壓力分別0.08MPa和0.6MPa，空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.5×10-5，轉(zhuǎn)速6500rpm下，不同進(jìn)出口直徑比的結(jié)構(gòu)下的氣蝕云圖對(duì)比。隨著進(jìn)口面積的減小，滑油進(jìn)口流速增加，進(jìn)口壓力降低，導(dǎo)致滑油自身蒸發(fā)量增大，空化現(xiàn)象加劇，從而導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象加劇。當(dāng)進(jìn)出口直徑比減小為1.6時(shí)，從圖6中可以看出，齒輪旋轉(zhuǎn)一圈，已經(jīng)出現(xiàn)了多處大面積潛在氣蝕。當(dāng)進(jìn)出口直徑比進(jìn)一步減小為1.4時(shí)，氣蝕現(xiàn)象更嚴(yán)重且分布區(qū)域更多。四種結(jié)構(gòu)中進(jìn)出口直徑比為2.0時(shí)，抗氣蝕性能最好。

圖6 Din/Dout=1.6，6500rpm下氣蝕分布（轉(zhuǎn)子一圈內(nèi)）

圖7 Din/Dout=1.8，6500rpm下氣蝕分布（轉(zhuǎn)子一圈內(nèi)）

圖8 Din/Dout=2.0，6500rpm下氣蝕分布（轉(zhuǎn)子一圈內(nèi)）

3.2 不同進(jìn)口面積、不同空氣含量下下滑油泵性能分析

計(jì)算的工況及出口流量結(jié)果見表2。

表2 工況表

3.2.1 不同結(jié)構(gòu)下總效率隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

關(guān)于效率的定義可參見文獻(xiàn)7。

從圖9可以看出，結(jié)構(gòu)Din/Dout=2.0在含氣量3×10-5～23.74×10-5的范圍內(nèi)，相比其他結(jié)構(gòu)效率最高。而且隨著含氣量的增加，四種結(jié)構(gòu)的效率整體都在下降。但是局部都有最高點(diǎn)。這是因?yàn)榭諝夂康脑黾樱瑫?huì)導(dǎo)致出口體積流量減小，軸功率也會(huì)稍有降低，總效率受出口體積流量和軸功率共同作用發(fā)生變化，因此出現(xiàn)了局部的極值點(diǎn)；當(dāng)空氣含量進(jìn)一步增加，出口體積流量大大減小，同時(shí)氣蝕現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致總效率降低。

圖9 不同結(jié)構(gòu)下，總效率與空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

對(duì)于結(jié)構(gòu)Din/Dout=2.0，其在含氣量為10.5×10-5時(shí)，對(duì)應(yīng)效率最高，后隨著含氣量進(jìn)一步增大，效率降低；對(duì)于結(jié)構(gòu)Din/Dout=1.8，其最佳的含氣量為3×10-5或10.5×10-5。結(jié)構(gòu)Din/Dout=1.4和1.6最佳的含氣量5×10-5～10.5×10-5。

3.2.2 不同結(jié)構(gòu)下出口流量隨空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

由圖10可以看出，隨著空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，占據(jù)了油液流動(dòng)的空間，因此四種結(jié)構(gòu)下泵的出口體積流量整體上基本都在下降。在含氣量變化范圍內(nèi)（3×10-5～23.74×10-5），同一含氣量下，隨著進(jìn)出口面積比增大，出口流量隨之減小，當(dāng)進(jìn)出口面積比從Din/Dout=1.8進(jìn)一步增長到Din/Dout=2.0時(shí)，對(duì)應(yīng)的出口流量已基本不再增長，甚至稍有降低。因此，結(jié)構(gòu)Din/Dout=1.8或者Din/Dout=2.0的泵出口流量最大。

圖10 不同結(jié)構(gòu)下，油氣比與出口體積流量的關(guān)系

3.3 最佳進(jìn)口面積確定

由3.1節(jié)我們得到進(jìn)出口直徑比Din/Dout=2.0的泵抗氣蝕性能最好。

由3.2.1節(jié)可知四種結(jié)構(gòu)，在不同的含氣量變化范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)Din/Dout=2.0效率最高，因此從效率角度出發(fā)，最佳結(jié)構(gòu)仍為Din/Dout=2.0。

由3.2.2節(jié)可知四種結(jié)構(gòu)，在不同的含氣量變化范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)Din/Dout=2.0和Din/Dout=1.8，因此，從供油能力角度出發(fā)，最佳結(jié)構(gòu)仍為Din/Dout=2.0或者1.8。

綜合以上三點(diǎn)因素，可認(rèn)為最佳的結(jié)構(gòu)為直徑比為Din/Dout=2.0（最佳油氣比為10e-5）。此時(shí)，最佳滑油流速為0.713m/s。

4 結(jié)語

本文基于某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵供油級(jí)結(jié)構(gòu)和工況條件，研究了其進(jìn)口面積和滑油中空氣含量的變化對(duì)滑油泵抗氣蝕性能、效率和出口流量的影響。最終獲得了最佳的滑油泵進(jìn)口面積，并進(jìn)一步確定出了滑油泵的最佳進(jìn)口平均流速。具體可以得到以下結(jié)論。

（1）在滑油泵抽油能力一定的情況下，即進(jìn)口、出口壓力、轉(zhuǎn)速、空氣含量一定時(shí)，滑油泵進(jìn)口面積越小，抗氣蝕性能越差；四種結(jié)構(gòu)中，進(jìn)、出口直徑比為Din/Dout=2.0抗氣蝕性能最佳。

（2）滑油中空氣含量一定時(shí)，進(jìn)口面積越大，效率越高；同一進(jìn)口面積下，隨著空氣含量增加，泵的總效率整體在下降，但由于軸功率和出口流量的共同作用導(dǎo)致總效率變化存在局部最高值。四種結(jié)構(gòu)中，進(jìn)口、出口直徑比為Din/Dout=2.0效率最高。

（3）同一進(jìn)口面積下，空氣含量越大，出口體積體積流量越小；同一空氣含量下，隨著進(jìn)口面積的增加，出口流量隨之增加；但隨著進(jìn)出口直徑比從1.8繼續(xù)增加到2.0時(shí)，出口流量基本已經(jīng)不再增加，此時(shí)，進(jìn)口面積再進(jìn)一步增大對(duì)于提高泵的供油能力來說已經(jīng)沒有意義。

（4）綜合抗氣蝕性能、效率和出口流量的對(duì)比，四種結(jié)構(gòu)中，進(jìn)出口直徑比為2.0的泵整體性能表現(xiàn)最佳，對(duì)應(yīng)此時(shí)進(jìn)口的最佳滑油流速為0.713m/s。