蔡文波
(海军装备部,西安 710000)
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。
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]。
2.1 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。
第二，有利于促进体育教师与学生之间的关系。体育教学的特殊性就在于体育教学中很多项目的进行都是需要师生之间积极互动的，高等教育阶段的体育教学重在对学生体育锻炼的理念和能力的培养，而不再是单一的运动方式和技巧的训练，从这一点来看，高校体育教学的教学效果评价必须是学生从自身所学到的和受益程度来判断，因此高校体育教学中融入学生评价是十分重要的。通过学生评教来促进师生良好关系形成和发展，能够增进师生之间的交流，也能够让体育教师了解学生更愿意接受的教学方式和教学内容，也更加有利于其工作的改进。
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
3.1 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
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。
5.1 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。
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。
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