超高速切線泵揚程系數(shù)試驗

郝小龍， 趙經(jīng)明， 張明根， 唐慧慧， 解俊良

(北京精密機電控制設備研究所航天伺服驅動與傳動技術實驗室， 北京 100076)

引言

切線泵由于其獨特的結構形式，被廣泛應用于有高揚程小流量性能輸出的場合，關于切線泵的設計，其中最主要的參數(shù)是如何選擇揚程系數(shù)與流量系數(shù)，在大多數(shù)設計方面的文獻介紹中，揚程系數(shù)和流量系數(shù)都給于了較大的一個取值范圍，在實際設計中，揚程系數(shù)選擇是否合適，不僅影響切線泵葉輪結構的尺寸，還與切線泵工作轉速及工作過程中摩擦損失、發(fā)熱特性密切相關。從目前公開發(fā)表的文獻[1-5]來看，對于超高速切線泵的試驗研究數(shù)據(jù)非常少，部分文獻對混輸泵、燃油泵及半開式葉輪的揚程系數(shù)，壓力流量特性，及葉頂間隙對泵內(nèi)流特性等方面進行了研究[6-9]，還有部分文獻針對泵葉片數(shù)量對揚程系數(shù)及效率的影響也進行了數(shù)值模擬[10]，均具有一定的參考意義。在航天伺服領域，泵結構形式主要為超高速切線泵[11-12]。基于為后續(xù)設計超高速切線泵提供可靠有效的數(shù)據(jù)，本研究將針對超高速切線泵的揚程系數(shù)及發(fā)熱特性開展試驗研究。

1 超高速切線泵

切線泵工作原理：切線泵高速旋轉過程中，通過葉片夾持的液體將保持與切線泵同步高速旋轉，在切線泵最外圈環(huán)形腔通道中，高速旋轉的液體通過切向噴射口喉部輸送出去。液體在葉輪間高速旋轉運動過程中同時獲得靜壓能和動能，通過噴射口后擴散段液體動能再進一步轉化為液壓能。因此切線泵輸出的最高揚程實際上是由液體在環(huán)形腔中最終獲得的線速度所決定，由于液體隨切線泵葉輪同步旋轉時，葉片間液體不僅存在的較大的軸向漩渦，同時液體與泵工作腔壁之間還存在的較大的撞擊與摩擦損失，因此導致液體最終獲得的速度與泵葉輪最外徑切線速度存在一定的差距，最終計算泵輸出揚程時通常使用揚程系數(shù)進行折算。

切線泵設計中，通常泵腔噴射口直徑按泵葉輪出口寬度取值，由于切線泵輸出性能對軸向間隙不敏感，泵葉輪與泵腔的前后端面軸向間隙可在0.5～1.0 mm間選取。 所研究的切線泵結構參數(shù)見表1， 結構示意如圖1所示。

表1 泵葉輪結構參數(shù)Tab.1 Parameters of pumps

圖1 超高速切線泵結構簡圖Fig.1 Structure diagram of ultra-high speed tangent pump

2 試驗方法

為使切線泵進行超高速運轉，試驗中選用軸流沖擊式渦輪作為動力源驅動，沖擊式渦輪輸出扭矩與轉速具有較好的線性關系[13]，便于后續(xù)輸入功率折算，所研究切線泵葉輪通過螺紋旋緊在渦輪軸系上，軸系組件主要包括渦輪轉子、機械密封動環(huán)、軸套、切線泵葉輪、墊片及滾動軸承，軸系結構如圖2所示。

1.泵葉輪 2.軸流渦輪轉子 3.滾動軸承 4.機械密封動環(huán)圖2 渦輪泵軸系結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of turbopump rotor system

試驗原理如圖3所示，將高壓氦氣源通過管路連接至拉法爾噴管，高壓氣源通過噴管膨脹加速后驅動渦輪軸系組件超高速運轉。切線泵從自增壓油源組件中抽吸油液并增壓后送至電液伺服閥，通過伺服閥調(diào)節(jié)流量后驅動液壓缸從而形成回路。

1.高壓氣源 2.手動截止閥 3.供氣壓力調(diào)節(jié)閥 4.電磁開關5.超音速噴管 6.渦輪泵 7.伺服控制閥 8.液壓缸9.增壓油源組件 10.工控機 11.壓力表 12.溫度傳感器13.進氣壓力傳感器 14.高壓傳感器 15.流量計16.低壓傳感器 17.轉速計 18.氣源回收罐圖3 氣吹試驗系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of air blowing test system

試驗系統(tǒng)中分別設置了高壓氣源壓力、高壓氣源溫度、低壓排氣壓力、切線泵入口流量、入口壓力、切線泵出口壓力等監(jiān)測傳感器及渦輪軸系組件轉速傳感器等。上述測量參數(shù)通過工控機實時記錄，試驗的啟停通過工控機遠程控制。試驗選用高壓氦氣為渦輪工質，15#航空液壓油為切線泵工質，氦氣與液壓油參數(shù)見表2。

表2 介質參數(shù)Tab.2 Media parameters

3 試驗數(shù)據(jù)及分析總結

3.1 試驗數(shù)據(jù)

共對切線泵進行了4種工況條件的運轉測試，如表3所示，前3種工況針對切線泵在不同轉速下的揚程系數(shù)及摩擦損失的試驗研究，第4種工況針對切線泵超高速運轉時零流量輸出溫升特性試驗研究。

表3 試驗工況表Tab.3 Summary of tests

試驗過程中切線泵輸出流量通過伺服閥驅動液壓缸往復運動。不同工況條件下的測試結果曲線見圖4～圖7。

圖4 5.5 MPa氦吹試驗測試結果Fig.4 Results of 5.5 MPa helium blowing test

圖5 6.5 MPa氦吹試驗測試結果Fig.5 Results of 6.5 MPa helium blowing test

圖6 泵7.5 MPa氦吹試驗測試結果Fig.6 Results of 7.5 MPa helium blowing test

圖7 7.5 MPa氦吹溫度試驗測試結果Fig.7 Temperature results of 7.5 MPa helium blowing test

3.2 結果分析

1) 摩擦功耗及揚程系數(shù)

根據(jù)氦氣工質類型(絕熱指數(shù)k=1.667)及噴管喉徑、進氣總壓、總溫、排氣背壓實測值，按照等熵膨脹功理論可以分析出氣體轉化的機械功率，同時根據(jù)試驗系統(tǒng)中所用軸流式渦輪的速比效率特性關系[14]，分析得出渦輪盤輸出軸功率W1?？紤]軸承及機械密封摩擦損失后即為泵軸輸入功率W2，按如下式(1)計算：

W2=W1-ωT1

(1)

式中,T1—— 軸承與機械密封運轉摩擦力矩，實測值為0.20 N·m

ω—— 泵軸角速度，ω=n·2π/60，其中n為泵軸轉速

泵輸出的液壓功率W3按如下式(2)計算：

W3=p·Q/60

(2)

式中，p—— 泵增壓壓力差，p=pd-ps，其中pd為泵出口壓力，ps為泵出口壓力

Q—— 泵輸出流量

泵工作效率η按如下式(3)計算：

η=W3/W2

(3)

泵功耗損失W按如下式(4)計算：

W=W2-W3

(4)

泵揚程系數(shù)ψ按如下(5)計算：

ψ=p/(ρ·v2)

(5)

式中，ρ—— 泵工作介質的密度，15#航空液壓油密度為839.3 kg/m3

v—— 泵葉輪外徑線速度,v=ω·(d2/2000)

泵流量系數(shù)φ按下式(6)計算：

(6)

式中，A為切線泵喉部面積。

對圖4～圖7曲線中氦氣壓力、輸出流量、泵進出口壓力及泵軸轉速取值，并按式(1)～式(6)進行分析，結果見表4所示。

表4 切線泵試驗數(shù)據(jù)分析Tab.4 Test data analysis of tangent pump

將前3種工況下分析得出的摩擦功耗結果數(shù)據(jù)繪制散點圖，可以看出功耗隨轉速增加近似為直線關系，利用線性擬合方法對結果數(shù)據(jù)進行擬合，置信度取0.95，起點為(52.8，26.2)，結束點(75.2，59.5)，結果如圖8所示。切線泵工作過程中摩擦功耗主要體現(xiàn)在輪盤攪油摩擦損失上，計算摩擦功耗隨轉速增長斜率K：

圖8 摩擦功耗隨轉速變化關系Fig.8 Variation of friction power loss with speed

(7)

對前3種工況條件下?lián)P程系數(shù)進行統(tǒng)計：5.5 MPa氦氣壓力試驗中，轉速為52.8×103r/min和53.2×103r/min時揚程系數(shù)偏低，分析認為：此時泵輸出流量較大，流量系數(shù)為0.82～0.90，接近切斷流量。后續(xù)分析剔除此兩點數(shù)據(jù)，對剩余數(shù)據(jù)進行線性擬合，置信度選0.95，擬合起始點(55.1，0.70)，結束點(75.2，0.66)，分析結果如圖9。切線泵轉速由55.1×103r/min上升至80.8×103r/min時，揚程系數(shù)由0.70緩慢下降至0.66。

圖9 揚程系數(shù)隨工作轉速變化關系Fig.9 Relationship between head coefficient and working speed

2) 溫升特性

從表4試驗結果得知，切線泵在超高速小流量下運轉時，泵軸輸入功率主要用于攪油摩擦損失。試驗系統(tǒng)中的15#航空液壓油容量約為8 L，初始時刻油溫為32 ℃，試驗過程中切線泵轉速穩(wěn)定在80.8×103r/min，輸出流量為0.5 L/min，連續(xù)運轉101.6 s后停機，油溫從32 ℃直線升至274.5 ℃，見圖7a，溫升速率達到2.38 ℃/s。

按泵軸輸入功率為70.15 kW計算，101.6 s中消耗總功為7127240 J，油液溫升吸收的熱量按式(8)計算：

N=ΔT×m×λ

(8)

式中,N—— 油液吸收熱量

m—— 油液總質量，6.71 kg

ΔT—— 試驗中油溫升，242.5 K

λ—— 15#油熱容，2093 J/kg·K

油溫升高242.5 K時吸收總熱量為N=3405677.3 J。油吸收的熱量約占全部的熱量：

(9)

4 結論

通過上述試驗研究，得出如下結論：

(1) 外徑42 mm，葉片數(shù)為8的切線泵在轉速從52.8×103r/min升至75.2×103r/min時，功耗損失最低為28.86 kW，最高為63 kW，泵葉輪攪油摩擦所產(chǎn)生的功率損失隨轉速每增加1000 r/min增長1.486 kW；

(2) 在轉速從55.1×103r/min升至80.8×103r/min 時，平均揚程系數(shù)由0.70緩降至0.66，分析認為，泵轉速升高，摩擦功耗增加，泵內(nèi)泄增大，揚程系數(shù)降低；

(3) 切線泵在超高速運轉小流量輸出時，泵軸輸入功率全部用于液壓油摩擦發(fā)熱，油液平均溫升速率可達2.38 ℃/s，油液溫升吸收熱量占全部功耗損失的48%。

上述試驗研究提供了一種切線泵特性測試方法，可作為切線泵及渦輪泵設計和分析的依據(jù)。