柱塞式燃料泵及燃料供应系统启动特性研究

徐杏钦, 白照高



柱塞式燃料泵及燃料供应系统启动特性研究

徐杏钦, 白照高

(海军装备部驻西安地区军事代表局, 陕西西安, 710054)

为了进一步提高鱼雷热动力系统启动的可靠性, 在分析柱塞式燃料泵结构特性的基础上, 从物理学角度得出了系统启动的理论必要条件, 通过对柱塞式燃料泵的试验数据和鱼雷实航数据的比较分析, 提出了使柱塞式燃料泵及燃料供应系统具有良好启动特性的设计准则, 即燃料泵相关设计参数必须满足/′＜1/(/+1)。研究得出, 柱塞式燃料泵在启动阶段, 燃料为气体状态时, 其进出口压力的比值达到某一极限值时燃料泵就不能启动。

热动力鱼雷; 柱塞式燃料泵; 启动特性; 燃料供应系统

0 引言

正常工作时, 柱塞式燃料泵进出口压差可以达到很大的值, 这一特点符合鱼雷发动机的工作特性, 因此被广泛应用在鱼雷热动力系统中。

燃料泵的启动特性是指在发动机启动阶段, 燃料泵在发动机的带动下供给燃料的能力。由于在启动阶段, 发动机转速从零开始逐渐加速, 燃料泵在发动机的带动下也从零开始逐渐加速, 并且其转速随发动机转速的变化而变化, 有时会出现转速波动。此外, 柱塞式燃料泵刚启动时, 其工作介质不是液体燃料, 而是装配时管路中存留的气体, 在启动阶段要完成工作介质从气体到液体燃料的转换过程。完成这一过程后将泵出的燃料通过燃料管路送入燃烧室并在燃烧室内分解, 燃料泵的启动过程就完成了。而这一过程必须在一定的时间(发动机在无燃料供应的情况下使用固体药柱所能持续运转的时间)内完成。因此, 对柱塞式燃料泵启动特性的研究是研究动力系统启动特性的基础性工作, 也是发动机相关设计参数选择的依据。为此, 本文通过对柱塞式燃料泵结构特性的分析, 应用物理学定律对柱塞式燃料泵启动的必要条件进行了理论上的定量描述, 并从这一条件出发, 研究了影响柱塞式燃料泵启动过程的各种因素。

1 柱塞式燃料泵启动的必要条件

当发动机启动时, 柱塞式燃料泵工作在气体状态, 即要将燃料舱出口到燃料泵入口之间连接管路内的气体抽吸到燃料泵出口。由于此时发动机燃烧室内固体药柱正在燃烧, 其内部压力远远大于燃料泵出口压力, 但在燃烧室单向阀的作用下, 燃烧室压力被隔离, 不能传递到燃料泵出口。此时, 燃料泵出口到燃烧室单向阀之间管路内的压力由启动前的(装配时的大气压力)逐渐上升。当燃料舱出口到燃料泵入口之间连接管路内的气体全部被抽吸到燃料泵出口到燃烧室单向阀之间管路内, 而液体燃料还没有进入泵缸体内时,达到在气体工作状态时的最大值, 其值是

=(V/V+1) (1)

式中:V为燃料舱出口到燃料泵入口之间管路的总容积;V为燃料泵出口到燃烧室单向阀之间管路内的总容积。上述两腔体内在装配时未填充燃料。

由图1所示的柱塞气体工作原理图可以看出, 假设配流环工作在理想状态下, 也就是在压缩时配流环的工作使缸体出入口和泵出口相通, 在抽吸时, 配流环的工作使缸体出入口和泵入口相联。当柱塞在位置1时, 缸体出入口与燃料泵入口相连, 其压力为′(由于燃料增压系统已开始工作, 燃料舱内压力已不再是)。当柱塞在位置2时, 缸体出入口与燃料泵出口相连, 其压力为1, 根据气态方程, 当

×=′(+) (2)

即/′=/+1 (3)

柱塞式燃料泵将失去抽吸能力。也就是说, 当柱塞式燃料泵工作在气体状态且其进出口压力比值满足式(3)时, 柱塞式燃料泵将启动失败。式(3)中是缸体有效容积,是缸体余隙容积(包括缸体底部与配流环相联部分气道的容积)。

式(3)就是柱塞式燃料泵启动的极限条件, 因此, 柱塞式燃料泵启动的必要条件是

/′＜/+1 (4)

图1 柱塞缸体气体状态工作原理

可以这样理解这一必要条件, 当柱塞完成吸气过程到达位置1后, 此时气体体积为, 压力为′。假定堵住缸体出入口, 使柱塞往下运动至位置2, 此时气体体积为, 压力为, 若×=′(+), 由于可以忽略这一过程的温度变化, 则位置1缸体内的气体总量与位置2缸体内的气体总量相等, 即柱塞往复一次后没有气体被吸入或压出。因此, 当的最大值满足式(4)时, 燃料泵才能完成从气体工作状态到液体燃料工作状态的转换。

在实际工程应用中, 考虑到配流环的非理想工作状态和燃料泵启动时间短等情况, 将式(4)修正为

/′＜1/(/+1) (5)

其中,为修正系数, 取值范围一般是1.3~1.8。

2 影响柱塞式燃料泵启动性能因素分析

根据式(5)可对影响柱塞式燃料泵启动性能的各种因素进行分析。首先对式(5)不等号右边进行分析,是缸体有效容积,是缸体余隙容积,/取决于结构参数和机械加工精度, 根据实际经验, 其值一般在8~10之间。为修正系数, 取值范围一般是1.3~1.8。因此, 当柱塞式燃料泵结构参数确定之后, 不等号右边的数值也可以确定。

2.1 燃料加压系统及燃料加注量对柱塞式燃料泵启动特性的影响

根据能供系统工作原理, 动力系统(全雷)在装配时的大气压就是启动前柱塞式燃料泵进出口各管路内的压力, 当电爆活门动作后, 高压气瓶内的CO气体经减压器减压后注入燃料舱, 在启动阶段的数秒内使燃料舱内达到一定的压力, 这一压力就是柱塞式燃料泵进口压力′。′在启动阶段是不断变化的, 随着注入燃料舱内气体的不断增加,′也增大。因此, 启动阶段某一时刻′的数值取决于气瓶压力、减压器的流量、燃料舱内空容积(与燃料加注量有关)的大小以及启动时间的长短。

当燃料加压系统出现故障, 不能在启动阶段使燃料舱内建立一定的压力, 或者燃料加注量太少, 使燃料舱内空容积太大, 即使燃料加压系统工作正常, 也会使燃料舱内压力不能在启动要求的时间内建立起来而造成燃料泵启动必要条件不能满足, 从而使得燃料泵启动失败。

2.2 柱塞式燃料泵进出口管路设计对启动特性的影响

从上述分析过程中可以得出, 柱塞式燃料泵进出口管路设计对的影响较大, 根据式(4),/′的值越大越不易满足燃料泵启动必要条件。因此, 要设计出启动性能良好的柱塞式燃料泵, 就要降低在气体状态下泵出口压力的最大值, 即降低的值。根据式(1), 由于是装配时的大气压力, 不能控制, 要使得的值减小, 就必须减小V/V的值, 这两段管路及相关部件内燃料腔室的设计除了要满足燃料泵启动性能外, 主要是考虑功能结构的需要, 管路要考虑连接装配的方便性, 还要满足燃料流量的要求, 还必须考虑到V的增加会使燃料充填燃料泵出口到燃烧室单向阀之间管路的时间延长, 反过来影响动力系统启动时间。

2.3 发动机启动性能对燃料泵启动特性的影响

发动机启动性能对燃料泵启动特性的影响是显而易见的, 发动机必须提供初始的动力使燃料泵转动, 在燃料进入燃烧室之前提供的动力总转数必有满足燃料泵从气体工作状态到液体燃料工作状态的转换并使燃料充填V, 再进入燃烧室分解的全过程的需要。完成这一过程后, 发动机转速、燃烧室的温度和压力还必须达到一定的值, 以保证整个动力系统启动的平稳性。因此, 在发动机设计时, 必须考虑固体药柱的总能量和发动机转动惯量等因素, 缩短发动机的加速过程, 增加发动机启动能量, 以保证燃料泵能快速完成启动过程。

3 应用实例

某小型鱼雷在实航试验中发生了燃料增压系统故障, 导致动力系统启动失败, 鱼雷在入水点下沉, 到达安全深度后操雷排载, 其中一条次上浮, 一条次因多装燃料而沉入湖中, 后打捞成功。为彻底分析故障原因, 在全面排查分析的基础上, 进行了一系列陆上试验。其中一项试验设计如下。

按图2连接燃料舱、互锁阀、燃料泵、燃烧室及泵试验台, 燃料舱的倾斜角也模拟实航启动过程。按上述方案分别采用红油(粘度模拟)和糖水(密度模拟)作为代用工质, 并设置不同的角度, 见图3, 共进行6次试验, 试验结果如表1所示。

试验表明, 此型动力系统在燃料舱不增压的条件下会出现燃料不能正常进入燃烧室的现象, 6次试验中有4次燃料泵不能完成启动, 还有1次即使完成启动也不能正常工作, 这与之前进行的全雷实航试验中燃料增压系统故障而导致的动力系统不能正常启动的情况相吻合。这些试验结果可以用本文提出的柱塞式燃料泵启动必要条件等观点来解释。式(5)中, 根据此型鱼雷柱塞式燃料泵的结构参数和试验数据可以计算出小于号右边的结果

1/(/+1)=1/1.5(9+1)=6.7 (6)

表1 燃料泵启动试验数据

图2 燃料供应系统连接图

图3 不增压条件下燃料(代用工质)供应试验连接图

其中,是修正系数, 取1.5, 式(5)小于号右边的计算如下: 由于没有增压, 故′=, 又根据式(1),=(V/V+1)=(5.8+1)=6.8×, 所以/′ =/=6.8, 故/′≮1/(/+1)。

上述计算过程中, 由于无法精确测量燃料泵的余隙容积, 对/的计算只是采用了估算和经验数值。此外, 对燃料泵进出口管路总容积的计算, 由于连接头及泵盖(调节阀)内腔容积不易测量等因素, 其计算结果可能会有较大误差。

由此可见, 此型动力系统在燃料舱不增压的条件下燃料泵的启动处于临界状态, 因此, 其他细微的因素都有可能影响燃料泵启动必要条件是否能满足, 从而影响动力系统的启动。这一分析计算结果与此型鱼雷实航试验和此型动力系统的陆上试验结果是一致的。

4 结束语

柱塞式燃料泵在启动阶段工作在气体状态时其进出口压力的比值是有极限值的, 超过这一极限比值燃料泵就不能启动。影响燃料泵启动特性的主要因素有: 燃料舱增压系统设计、燃料泵的结构设计、连接燃料泵进出口的管路设计、发动机启动工作特性以及使用时的燃料加注量。所有这些因素综合作用的结果只有满足/′<1/(/+1)时, 才能使柱塞式燃料泵可靠启动。

[1] 马世杰. 鱼雷热动力装置设计原理[M]. 北京: 兵器工业出版社, 1991.

[2] 张宇文. 鱼雷总体设计原理与方法[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1998.

[3] 范凤桐. 鱼雷航行动力学[M]. 武汉: 中国人民解放军海军工程学院, 1981.

[4] 胡巍. 燃料挤代增压系统故障进一步验证试验报告[R]. 西安: 中国船舶重工集团第七O五研究所, 2010.

(责任编辑: 陈 曦)

Study on Starting Characteristics of Plunger Type Fuel Pump and Fuel Supply System

XU Xing-qin, BAI Zhao-gao

(Xi′an Representative Bureau, Naval Armament Department, Xi′an 710054, China)

Tofurther enhancethe startingreliability of torpedo thermal power system, the theoretical necessary condition of system starting is obtained in the view of physics by analyzing the structural feature of a plunger type fuel pump. By analyzing the data from test of the fuel pump and sea trial of a torpedo, a design criterion is offered to achieve better starting characteristics of the plunger type fuel pump and the fuel supply system, that is, the fuel pump′s design parameters must satisfy/′<1/(/+1). It is found that the fuel pump can not start if the ratio of inlet to outlet pressure reaches a limit when the plunger type fuel pump works in starting phase and the fuel is in gaseous state.

thermal power torpedo; plunger type fuel pump; starting characteristic; fuel supply system

TJ630.32

A

1673-1948(2011)06-0459-04

2011-03-24;

2011-05-10.

徐杏钦(1963-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要研究领域为鱼雷工程.