齒輪泵進口流道設計對汽蝕性能的影響

何淵博，梁銀川，張小衛(wèi)

(1.西安航空動力控制科技有限公司，陜西西安710077；2.西安航空動力控制科技有限公司軍代表室，陜西西安710077)

齒輪泵進口流道設計對汽蝕性能的影響

何淵博1，梁銀川2，張小衛(wèi)1

(1.西安航空動力控制科技有限公司，陜西西安710077；2.西安航空動力控制科技有限公司軍代表室，陜西西安710077)

為解決某型齒輪泵在初樣設計中出現(xiàn)的嚴重汽蝕問題，對齒輪泵汽蝕機理進行分析，并用排除法找出了汽蝕原因。以進口流道改進設計為突破口，結(jié)合流體仿真軟件，通過齒輪泵內(nèi)流域空化程度和流量波動的仿真分析，對進口流道進行設計優(yōu)化，以此開展減輕齒輪泵附著汽蝕的研究。提出在齒輪泵設計時，應充分考慮流道結(jié)構(gòu)對附著汽蝕的影響，并結(jié)合流體仿真軟件對進口流道進行設計修正，盡量避免附著汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。

齒輪泵；附著汽蝕；進口流道；仿真修正；排故

1 引言

油泵的空化汽蝕[1]是油泵設計時面臨的一個重大問題，其特征為：燃油在油泵內(nèi)部流通過程中，燃油內(nèi)空氣分離及燃油汽化后會產(chǎn)生氣泡，而氣泡在受到高壓時破裂，一般會產(chǎn)生高達50 MPa的沖擊力，對零件產(chǎn)生沖擊破壞[2]。對于高轉(zhuǎn)速及高功率密度的航空燃油泵，汽蝕環(huán)境更加惡劣。

某型航空發(fā)動機齒輪泵，在初樣研制階段中存在比較嚴重的汽蝕問題，在工作200 h時，已出現(xiàn)因汽蝕影響導致供油不足現(xiàn)象。為解決該初樣泵的汽蝕問題，對其結(jié)構(gòu)及性能進行了計算分析。

按照齒輪泵許用汽蝕余量[NPSH]計算方法[3]，該齒輪泵的[NPSH]=0.4 MPa。實際測試中，該泵的進口壓力均大于0.7 MPa，即實際進口壓力大于0.4 MPa的許用汽蝕余量。可見油泵具備較高的汽蝕余量，不該在此狀態(tài)下產(chǎn)生嚴重的汽蝕問題。下面從齒輪泵結(jié)構(gòu)入手，查找影響汽蝕問題的環(huán)節(jié)。

2 汽蝕現(xiàn)象分析

對于齒輪泵，造成汽蝕現(xiàn)象最大的原因是游離汽蝕和附著汽蝕[4]。游離汽蝕主要受液體粘度、溫度、進口壓力、轉(zhuǎn)速等因素影響。通常，設計時以考慮游離汽蝕為主，可通過汽蝕余量計算方法計算出產(chǎn)品的[NPSH]。而附著汽蝕是液體在流過流道邊壁時若流道過于粗糙或不規(guī)則，會形成旋渦、空穴，產(chǎn)生氣泡。附著汽蝕無定量計算方法，在設計時容易被忽略。

從該泵實際進口壓力和許用汽蝕余量的比較可以看出，產(chǎn)品不應出現(xiàn)游離汽蝕問題，因此應進一步驗證產(chǎn)品附著汽蝕的可能性。

首先對可能引起附著汽蝕的油泵進口流道進行分析。如圖1所示，原結(jié)構(gòu)齒輪泵進口采用鍛件加工，流道由三節(jié)圓孔連接而成，過渡生硬，易產(chǎn)生旋渦。

利用齒輪泵常用流體仿真軟件Pumplinx[5]對油泵進口流道進行分析。圖2示出了原結(jié)構(gòu)流體云圖?？梢姡黧w高速流過時流道內(nèi)多處出現(xiàn)低壓點，并產(chǎn)生旋渦(圖3)，促進氣泡生成。當氣泡遇到高壓時便會產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。因此，可初步判定該齒輪泵汽蝕，很大程度上是因為進口流道設計不合理所致，下面從該方面入手展開改進設計。

3 進口流道改進設計及仿真對比

在該齒輪泵改進時，對進口流道改用鑄造成型的方法加工，采用流線型均勻增大截面積的思路設計，并配合仿真分析流體云圖進行反復改進，確定最終方案。圖4為改進后的進口流道結(jié)構(gòu)。

圖3 原結(jié)構(gòu)流體拐角出現(xiàn)的旋渦Fig.3 Vortex at the corner of original structure

圖4 改進結(jié)構(gòu)進口流道結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Improved structure of inlet channel

在相同條件下，對改進前后兩種結(jié)構(gòu)進行汽蝕相關的仿真分析對比。根據(jù)齒輪泵改進前后模型，建立齒輪泵整體流體域。對仿真模型進行面定義、網(wǎng)格劃分、邊界條件設定。邊界條件設定為：進口壓力0.4 MPa，出口壓力9.0 MPa，轉(zhuǎn)速8 000 r/min。

原結(jié)構(gòu)齒輪泵汽蝕仿真結(jié)果如圖5所示。圖中，蒸汽質(zhì)量分數(shù)上限統(tǒng)一設定為9×10-7?？梢姡M口流道末端、卸荷槽進口側(cè)最外端及卸荷槽進口側(cè)嚙合處易產(chǎn)生汽泡。汽泡遇到高壓就會被壓破，即會產(chǎn)生汽蝕。

圖6為原結(jié)構(gòu)齒輪泵啟動瞬時流量曲線。可見，在啟動時，齒輪泵流量不穩(wěn)定，出現(xiàn)大幅波動，該波動應與汽泡在高壓區(qū)破裂產(chǎn)生汽蝕有關。

改進后的齒輪泵汽蝕仿真結(jié)果如圖7所示?？梢?，卸荷槽進口側(cè)最外端會產(chǎn)生空化，但與改進前相比，其顏色較淺，汽泡量較小。改進后的齒輪泵瞬時流量曲線如圖8所示?？梢?，改進后齒輪泵流量穩(wěn)定，無大幅波動。

圖5 原結(jié)構(gòu)齒輪泵汽蝕仿真圖Fig.5 Cavitation simulation of original structure

圖6 原結(jié)構(gòu)啟動瞬時流量曲線Fig.6 Instant-start flow curve of original structure

圖7 改進結(jié)構(gòu)齒輪泵汽蝕仿真圖Fig.7 Cavitation simulation of improved gear pump

圖8 改進結(jié)構(gòu)齒輪泵瞬時流量曲線Fig.8 Instant-start flow curve of improved structure

齒輪泵進口流道改進前后仿真結(jié)果對比表明，改進后，其轉(zhuǎn)向處過渡圓滑，沿程損失減小，且不易產(chǎn)生空化，汽蝕現(xiàn)象得到明顯改善。

4 改進效果驗證

對改進后的齒輪泵進行試驗驗證。圖9示出了同樣進行200 h試驗后，改進前后結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)后側(cè)板的對比照片，可見汽蝕現(xiàn)象得到明顯改善。

圖9 改進前后結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)后側(cè)板照片F(xiàn)ig.9 Running the plate picture before and after the structure improved

5 結(jié)束語

通過對齒輪泵汽蝕問題機理的分析、計算及流道仿真，找出了初樣泵汽蝕原因并進行了改進設計，有效減輕了齒輪泵附著汽蝕現(xiàn)象，提高了齒輪泵的抗汽蝕能力，效果明顯。齒輪泵設計時，應充分考慮流道結(jié)構(gòu)對附著汽蝕的影響，并同步運用流體仿真軟件對進口流道進行設計修正，盡量避免附著汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。

[1]克里斯托弗·厄爾斯·布倫南.泵流體力學[M].潘中永，譯.江蘇鎮(zhèn)江：江蘇大學出版社，2012.

[2]何存興.液壓元件[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[3]航空噴氣發(fā)動機自動控制設計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.

[4]關醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊[M].北京：宇航出版社，1995.

[5]馬富銀，楊國平，吳偉蔚.泵的空化現(xiàn)象研究進展[J].流體機械，2011，39(4)：30—34.

Inlet Flow Channel Design Impact on Cavitation Performance of Gear Pump

HE Yuan-bo1，LIANG Yin-chuan2，ZHANG Xiao-wei1
(1.Xi’an Aviation Power Control Technology Corporation Ltd.，Xi’an 710077，China；2.The Military Representatives Office of Xi’an Aviation Power Control Technology Corporation Ltd.，Xi’an 710077，China)

To solve the problems of serious cavitation in the design of prototype sample,cavitation mecha?nism was analyzed and causes were found out by deduction.Taking inlet channel improved design as the breakthrough,combining with Pumplinx fluid simulation software,inlet flow channel was optimized through simulation analysis of cavitation degree in the gear pump and flow fluctuation to study how to alleviate the impact of cavitation to the gear pump.It is proposed that in the design of gear pump,the impact of flow channel on cavitation should be considered and the inlet flow channel could be modified by simulation soft?ware to avoid cavitation.

gear pump；inlet attached cavitation；flow channel；simulation correction；troubleshooting

V233.2

：A

：1672-2620(2014)04-0039-03

2013-12-03；

：2014-08-18

何淵博(1979-)，男，陜西西安人，工程師，從事航空發(fā)動機燃油泵研究。