基于PumpLinx的燃油柱塞泵配流副抗氣蝕研究

蔡文波

(海軍裝備部,西安 710000)

0 引言

燃油柱塞泵具有結構緊湊、單位功率密度高、變量控制簡單等特點,在航空領域得到廣泛應用[1-2]。隨著燃油柱塞泵越來越高的性能要求,柱塞泵內部的空化現象易引起油液振動、噪音和氣蝕,制約著柱塞泵的發展[3-7]。某型燃油柱塞泵具有出口壓力高和轉速高特點,在耐久性試驗后配流副出現嚴重的氣蝕現象。為解決此問題,對燃油柱塞泵配流副抗氣蝕進行深入研究。

1 柱塞泵配流副抗氣蝕原理理論分析

要保證柱塞泵配流副不產生氣蝕,泵的進口壓力必須克服泵流道中的各種阻力損失,最后進入配流副的液體壓力還必須高于其氣化壓力pgs。因而柱塞泵配流副不產生氣蝕的條件為:

(1)

式中:Pin為泵進口壓力;Pgs為介質氣化壓力;γ為工作介質的重度;v3為液體進入配流副缸體內的流速;g為重力加速度;ΔP1為泵進口至配流窗口前的壓力損失;ΔP2為配流窗口內的壓力損失;ΔP3為缸體窗口內的壓力損失。

介質氣化壓力隨介質的種類、溫度和空氣的溶解度而變化,其近似計算公式為:

Pgs=0.2+0.005×(T-20)

(2)

式中,T為介質溫度。

由于公式(1)中的各部分阻力損失都與各部位的液體流速的平方成正比,即與泵的角速度的平方成正比,因而:

ΔP1=C1w2

(3)

ΔP2=C2w2

(4)

(5)

式中,C1、C2、C3為與阻力系數有關的常數,其中配流盤阻尼槽對C3影響較大。

將公式(2)至公式(5)代入公式(1)中,得到公式(6):

Pin>0.2+0.005×(T-20)+(C1+C2+C3)×w2

(6)

通過公式6可以看出,泵進口壓力、介質溫度、泵轉速等多個因素對柱塞泵配流副氣蝕有影響,因而應用PumpLinx軟件建立仿真模型,探究燃油柱塞泵配流副抗氣蝕措施[8]。

2 燃油柱塞泵PumpLinx仿真

2.1 仿真輸入

某型柱塞泵的主要參數如表1所示。

表1 某型柱塞泵的主要參數

2.2 流體仿真模型

流體域仿真模型如圖1所示,主要包括吸排油口腔、配流盤腰形槽和柱塞腔。網格劃分選用二叉樹生成網格的方法生成笛卡爾網格。

圖1 流體域仿真模型

2.3 邊界條件及求解器設置

邊界條件中設置進口壓力為0.2 MPa,出口壓力為21 MPa。求解器參數設置中設置泵旋轉速度為4 050 rpm,空化設置為全空化,工作溫度 300 K,對應的飽和蒸汽壓為4 000 Pa,壓力速度耦合算法選用SIMPLIC算法。

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2.4 產品額定工況仿真結果分析

根據上述仿真條件設置參數,探究柱塞泵配流副空化特性及氣蝕情況,以驗證仿真模型的準確性。

總氣體體積分數分布和配流盤阻尼槽氣體體積分數分別如圖2、圖3所示。可以看出,配流副發生氣蝕的地方在配流盤吸油窗口及低壓到高壓的阻尼槽處。產品配流盤吸油窗口發生汽蝕處如圖4所示,可以看出,產品配流盤實際發生汽蝕處也在吸油窗口及低壓到高壓的阻尼槽處,仿真結果與產品實際發生汽蝕處幾乎一致,驗證了仿真模型及仿真方法的正確性。

圖2 總氣體體積分數分布

圖3 配流盤阻尼槽氣體體積分布

圖4 產品配流盤吸油窗口發生汽蝕處

3 配流副氣蝕影響因素分析

3.1 進口壓力對配流副氣蝕的影響

通過改變進口壓力的取值,探究進口壓力對配流副氣蝕的影響。分別設置進口壓力為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa,得到不同進口壓力下配流副空化氣體體積分數圖如圖5所示?？梢钥闯?隨著進口壓力的增大,在其他條件相同時,發生空化區域的氣體體積明顯減小,配流副氣蝕情況明顯改善,當進口壓力由0.2 MPa增大至0.3 MPa時,改變進口壓力抑制氣蝕發生的效果最為明顯;進口壓力為0.4 MPa時,柱塞泵空化發生區域幾乎消失,完全沒有氣蝕產生。

圖5 不同進口壓力下配流副空化氣體體積分數圖

3.2 轉速對配流副氣蝕的影響

通過改變轉速的取值,探究轉速對配流副氣蝕的影響。分別設置轉速為3 000 r·min-1、4 050 r·min-1、5 000 r·min-1、6 000 r·min-1,得到不同轉速下配流副空化氣體體積分數圖如圖6所示?？梢钥闯?隨著轉速升高,柱塞泵的空化面積不斷增加,轉速越高,空化程度越嚴重,進而氣蝕情況越嚴重,因此需要限制柱塞泵的最高轉速,以抑制燃油柱塞泵配流副發生氣蝕。

圖6 不同轉速下配流副空化氣體體積分數圖

3.3 溫度對配流副氣蝕的影響

通過改變溫度的取值,探究溫度對配流副氣蝕的影響。分別設置溫度為300 K、333 K、373 K、403 K,得到不同溫度下配流副空化氣體體積分數如圖7所示?？梢钥闯?隨著溫度升高,柱塞泵配流副空化面積不斷增加,溫度越高,空化程度越嚴重,進而氣蝕情況越嚴重。

圖7 不同溫度下配流副空化氣體體積分數圖

3.4 配流盤阻尼槽結構對配流副氣蝕的影響

配流盤阻尼槽的結構通常為三角槽結構,三角槽結構示意圖如圖8所示,通過改變配流盤三角槽寬度角度θ2取值,探究配流盤阻尼槽結構對配流副氣蝕的影響。分別改變流體域三維模型三角槽寬度角度為65°、70°、75°、80°、85°、90°,得到不同三角槽寬度角度下配流副空化氣體體積分數圖如圖9所示?？梢钥闯?隨著三角槽寬度角度增大,三角槽處空化面積明顯減小,當三角槽寬度角度為90°時,阻尼槽處的空化發生區域幾乎消失,無氣蝕產生。

圖8 三角槽結構示意圖

圖9 不同三角槽寬度角度下配流副空化氣體體積分數圖

3.5 配流副氣蝕影響因素綜合分析

表2 配流副氣蝕影響因素綜合分析表

4 產品抗氣蝕措施

通過以上分析,采取以下抗氣蝕措施:

(1)配流盤阻尼槽的三角槽寬度角度由75°優化為90°;

(2)進口壓力由0.2 MPa提高至0.3 MPa。由于此燃油柱塞泵的轉速和溫度為限定要求,因而無法優化。

5 仿真與試驗驗證

5.1 仿真驗證

采取上述抗氣蝕措施,轉速和溫度條件不變,進行仿真分析,采取抗氣蝕措施后配流副空化氣體體積分數圖如圖10所示?？梢钥闯?采取抗氣蝕措施后,空化發生區域幾乎消失,無氣蝕產生,說明采取的抗氣蝕措施方法有效。

圖10 采取抗氣蝕措施后配流副空化氣體體積分數圖

5.2 試驗驗證

實施抗氣蝕措施后制造產品,按照飛機變量柱塞泵通用規范在某型燃油柱塞泵試驗臺上進行100 h耐久性壽命試驗,試驗過程中產品性能一切正常。試驗完成后對產品進行分解檢查,顯示配流副無氣蝕產生。試驗結果與仿真結果吻合。

6 結論

本文從燃油柱塞泵配流副抗氣蝕理論分析到仿真分析再到試驗驗證,為燃油柱塞泵配流副抗氣蝕的設計提供了一種有效方法。探究了進口壓力、轉速和溫度對燃油柱塞泵配流副氣蝕的影響,得出,進口壓力減小、轉速增大、溫度增大,氣蝕加重。探究了配流盤阻尼槽結構對柱塞泵配流副氣蝕的影響,得出隨著三角槽寬度角度的增大,氣蝕得到有效抑制,三角槽寬度角度達到90°時,三角槽處氣蝕幾乎消失。