基于PumpLinx的燃油柱塞泵配流副抗气蚀研究

蔡文波

(海军装备部,西安 710000)

0 引言

燃油柱塞泵具有结构紧凑、单位功率密度高、变量控制简单等特点,在航空领域得到广泛应用[1-2]。随着燃油柱塞泵越来越高的性能要求,柱塞泵内部的空化现象易引起油液振动、噪音和气蚀,制约着柱塞泵的发展[3-7]。某型燃油柱塞泵具有出口压力高和转速高特点,在耐久性试验后配流副出现严重的气蚀现象。为解决此问题,对燃油柱塞泵配流副抗气蚀进行深入研究。

1 柱塞泵配流副抗气蚀原理理论分析

要保证柱塞泵配流副不产生气蚀,泵的进口压力必须克服泵流道中的各种阻力损失,最后进入配流副的液体压力还必须高于其气化压力pgs。因而柱塞泵配流副不产生气蚀的条件为:

(1)

式中:Pin为泵进口压力;Pgs为介质气化压力;γ为工作介质的重度;v3为液体进入配流副缸体内的流速;g为重力加速度;ΔP1为泵进口至配流窗口前的压力损失;ΔP2为配流窗口内的压力损失;ΔP3为缸体窗口内的压力损失。

介质气化压力随介质的种类、温度和空气的溶解度而变化,其近似计算公式为:

Pgs=0.2+0.005×(T-20)

(2)

式中,T为介质温度。

由于公式(1)中的各部分阻力损失都与各部位的液体流速的平方成正比,即与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为与阻力系数有关的常数,其中配流盘阻尼槽对C3影响较大。

将公式(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)

通过公式6可以看出,泵进口压力、介质温度、泵转速等多个因素对柱塞泵配流副气蚀有影响,因而应用PumpLinx软件建立仿真模型,探究燃油柱塞泵配流副抗气蚀措施[8]。

2 燃油柱塞泵PumpLinx仿真

2.1 仿真输入

某型柱塞泵的主要参数如表1所示。

表1 某型柱塞泵的主要参数

2.2 流体仿真模型

流体域仿真模型如图1所示,主要包括吸排油口腔、配流盘腰形槽和柱塞腔。网格划分选用二叉树生成网格的方法生成笛卡尔网格。

图1 流体域仿真模型

2.3 边界条件及求解器设置

边界条件中设置进口压力为0.2 MPa,出口压力为21 MPa。求解器参数设置中设置泵旋转速度为4 050 rpm,空化设置为全空化,工作温度 300 K,对应的饱和蒸汽压为4 000 Pa,压力速度耦合算法选用SIMPLIC算法。

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2.4 产品额定工况仿真结果分析

根据上述仿真条件设置参数,探究柱塞泵配流副空化特性及气蚀情况,以验证仿真模型的准确性。

总气体体积分数分布和配流盘阻尼槽气体体积分数分别如图2、图3所示。可以看出,配流副发生气蚀的地方在配流盘吸油窗口及低压到高压的阻尼槽处。产品配流盘吸油窗口发生汽蚀处如图4所示,可以看出,产品配流盘实际发生汽蚀处也在吸油窗口及低压到高压的阻尼槽处,仿真结果与产品实际发生汽蚀处几乎一致,验证了仿真模型及仿真方法的正确性。

图2 总气体体积分数分布

图3 配流盘阻尼槽气体体积分布

图4 产品配流盘吸油窗口发生汽蚀处

3 配流副气蚀影响因素分析

3.1 进口压力对配流副气蚀的影响

通过改变进口压力的取值,探究进口压力对配流副气蚀的影响。分别设置进口压力为0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa,得到不同进口压力下配流副空化气体体积分数图如图5所示。可以看出,随着进口压力的增大,在其他条件相同时,发生空化区域的气体体积明显减小,配流副气蚀情况明显改善,当进口压力由0.2 MPa增大至0.3 MPa时,改变进口压力抑制气蚀发生的效果最为明显;进口压力为0.4 MPa时,柱塞泵空化发生区域几乎消失,完全没有气蚀产生。

图5 不同进口压力下配流副空化气体体积分数图

3.2 转速对配流副气蚀的影响

通过改变转速的取值,探究转速对配流副气蚀的影响。分别设置转速为3 000 r·min-1、4 050 r·min-1、5 000 r·min-1、6 000 r·min-1,得到不同转速下配流副空化气体体积分数图如图6所示。可以看出,随着转速升高,柱塞泵的空化面积不断增加,转速越高,空化程度越严重,进而气蚀情况越严重,因此需要限制柱塞泵的最高转速,以抑制燃油柱塞泵配流副发生气蚀。

图6 不同转速下配流副空化气体体积分数图

3.3 温度对配流副气蚀的影响

通过改变温度的取值,探究温度对配流副气蚀的影响。分别设置温度为300 K、333 K、373 K、403 K,得到不同温度下配流副空化气体体积分数如图7所示。可以看出,随着温度升高,柱塞泵配流副空化面积不断增加,温度越高,空化程度越严重,进而气蚀情况越严重。

图7 不同温度下配流副空化气体体积分数图

3.4 配流盘阻尼槽结构对配流副气蚀的影响

配流盘阻尼槽的结构通常为三角槽结构,三角槽结构示意图如图8所示,通过改变配流盘三角槽宽度角度θ2取值,探究配流盘阻尼槽结构对配流副气蚀的影响。分别改变流体域三维模型三角槽宽度角度为65°、70°、75°、80°、85°、90°,得到不同三角槽宽度角度下配流副空化气体体积分数图如图9所示。可以看出,随着三角槽宽度角度增大,三角槽处空化面积明显减小,当三角槽宽度角度为90°时,阻尼槽处的空化发生区域几乎消失,无气蚀产生。

图8 三角槽结构示意图

图9 不同三角槽宽度角度下配流副空化气体体积分数图

3.5 配流副气蚀影响因素综合分析

表2 配流副气蚀影响因素综合分析表

4 产品抗气蚀措施

通过以上分析,采取以下抗气蚀措施:

(1)配流盘阻尼槽的三角槽宽度角度由75°优化为90°;

(2)进口压力由0.2 MPa提高至0.3 MPa。由于此燃油柱塞泵的转速和温度为限定要求,因而无法优化。

5 仿真与试验验证

5.1 仿真验证

采取上述抗气蚀措施,转速和温度条件不变,进行仿真分析,采取抗气蚀措施后配流副空化气体体积分数图如图10所示。可以看出,采取抗气蚀措施后,空化发生区域几乎消失,无气蚀产生,说明采取的抗气蚀措施方法有效。

图10 采取抗气蚀措施后配流副空化气体体积分数图

5.2 试验验证

实施抗气蚀措施后制造产品,按照飞机变量柱塞泵通用规范在某型燃油柱塞泵试验台上进行100 h耐久性寿命试验,试验过程中产品性能一切正常。试验完成后对产品进行分解检查,显示配流副无气蚀产生。试验结果与仿真结果吻合。

6 结论

本文从燃油柱塞泵配流副抗气蚀理论分析到仿真分析再到试验验证,为燃油柱塞泵配流副抗气蚀的设计提供了一种有效方法。探究了进口压力、转速和温度对燃油柱塞泵配流副气蚀的影响,得出,进口压力减小、转速增大、温度增大,气蚀加重。探究了配流盘阻尼槽结构对柱塞泵配流副气蚀的影响,得出随着三角槽宽度角度的增大,气蚀得到有效抑制,三角槽宽度角度达到90°时,三角槽处气蚀几乎消失。