某型航空發(fā)動機滑油泵供油級最佳進口面積的確定研究

楊振軍，李文，張嶺

（新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團）有限公司103廠，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 前言

滑油系統(tǒng)是發(fā)動機必不可少的組成部分，滑油泵的性能直接影響著發(fā)動機滑油系統(tǒng)的性能。好的泵結(jié)構(gòu)和適當?shù)目諝夂繉⒛軌虼蟠筇嵘捅玫墓┯湍芰?、效率、抗氣蝕性能等。

目前，國內(nèi)外研究泵抗氣蝕和泵的性能的文章較多，多數(shù)均是針對工作介質(zhì)為水的葉片泵展開的研究。而針對工作介質(zhì)為滑油的齒輪泵的研究則較少出現(xiàn)。王玉勤、丁澤文等人針對某型號的化工離心泵，選取葉輪進出口直徑、葉片進出口安放角、和葉片包角5個參數(shù)，通過PumpLinx進行數(shù)值計算確定出了最佳的一組方案，提高了泵的抗氣蝕性能。吳仁榮通過實驗證明了適當增大葉輪進口的液流過流面積將會減弱泵的氣蝕，過分增大葉輪進口面積將會在進口處生成旋渦和回流，不利于氣蝕性能的改善，而且會給泵的效率降造成不利影響。

張學(xué)超通過試驗研究發(fā)現(xiàn)采用適當加大葉輪進口直徑，延伸葉片進口邊，加大葉片的進口寬度，能夠提高泵的抗氣蝕性能，并且當設(shè)計參數(shù)選擇合適的時候，同時在保證氣蝕性能好的前提下可使泵獲得較高的效率值。蔣旭松、王者文等人通過數(shù)值模擬方法研究發(fā)現(xiàn)，適當增大喉部面積可以提高泵氣蝕性能。徐維暉、候曉等人通過數(shù)值模擬方法發(fā)現(xiàn)當進口壓力為81.06kPa和101.33kPa時，減小壁面粗糙度對改善齒輪泵性能有更顯著的效果。Singhal等人基于Rayleigh-Plesset 方程提出了Singhal空化模型。適合比較復(fù)雜的空化流計算，該模型已經(jīng)被大量的實驗驗證，具可作為數(shù)值計算的理論依據(jù)。劉宜、趙希楓等人采用了對離心泵內(nèi)全流道三維空化流動，采用Singhal等人發(fā)展的一種三維混合流體完整化的湍流模型，基于RNG的k-模型和SIMPLEC算法，進行了定常和非定常數(shù)值模擬，與實驗結(jié)果吻合較好。

本文基于Singhal 提出的全空化模型，對某型航空發(fā)動機滑油泵進行數(shù)值計算，在進出口壓力一定的情況下，分析泵的入口面積及滑油中空氣含量對泵抗氣蝕性能、效率、出口流量的影響。本文采用數(shù)值計算方法借鑒了相關(guān)研究滑油泵氣蝕的文獻所采用的計算方法，其可靠性已經(jīng)過了實驗驗證。

2 計算模型和方法介紹

2.1 計算模型

本文研究對象為航空發(fā)動機某型滑油泵供油級齒輪泵，為內(nèi)嚙合齒輪泵，圖1為滑油泵供油級兩齒輪嚙合。內(nèi)外齒輪齒數(shù)分別為4和5。內(nèi)齒輪和外齒輪的偏心距為4.5mm。

圖1 內(nèi)外齒輪嚙合

通過提取獲得了齒輪泵供油級的流體域，具體結(jié)構(gòu)如圖2。將流體域分為3部分，分別為進口段、出口段和轉(zhuǎn)子區(qū)域。進、出口直徑為36mm和18mm，內(nèi)外嚙合齒輪間的流體域部分如圖2中白色齒輪形狀部分。供油級共有兩級齒輪對，共用一個進口和出口。

圖2 流體域

2.2 網(wǎng)格劃分

將網(wǎng)格劃分為三個部分，入口段和出口段流體域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動生成，兩齒輪嚙合區(qū)域及轉(zhuǎn)子區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，三個部分流體域體網(wǎng)格數(shù)目之和約為70萬。其中，進、出口段為靜網(wǎng)格區(qū)域，轉(zhuǎn)子區(qū)域為動網(wǎng)格區(qū)域。整個流體域網(wǎng)格如圖3。

圖3 全流體域網(wǎng)格

2.3 計算方法及輸入條件

本文采用三維非定常計算方法對滑油泵供油級進行計算，基于全空化模型和標準的k-湍流模型，采用SIMPLES算法進行求解，來預(yù)測泵內(nèi)氣蝕現(xiàn)象以及泵的性能。

壁面附近選用標準壁面函數(shù)，并給定泵的進口、出口壓力及轉(zhuǎn)速。通過改變泵的進口直徑來改變泵的進口面積及滑油中空氣含量，來研究兩個因素共同作用對泵抗氣蝕性能及效率和流量的影響。

其中數(shù)值計算不變的邊界參數(shù)為：進口壓力為0.08MPa，出口壓力0.6MPa，固定轉(zhuǎn)速6500rpm。

固定進口面積，改變含氣量；固定含氣量，改變進口面積（通過固定出口直徑，改變進、出口直徑比體現(xiàn)）。

計算采用的進口直徑大小有四組分別為Din/Dout=1.4、1.6、1.8、2.0。

滑油中空氣質(zhì)量分數(shù)變化范圍為3×10-5～23.74×10-5，共5組，每組具體的空氣質(zhì)量分數(shù)見結(jié)果與討論中的表2?；臀镄匀绫?。

表1 工質(zhì)物性

當進出口時均質(zhì)量流量在5%誤差內(nèi)且基本保持不變時，認為數(shù)值計算已經(jīng)收斂。圖4即為某工況下數(shù)值模擬的進出口時均質(zhì)量流量和進出口凈流量和的收斂曲線。

圖4 進出口時均質(zhì)量流量隨時間的變化

3 結(jié)果與討論

3.1 不同進口面積下滑油泵抗氣蝕性能對比分析

本文通過顯示與氣泡破滅有關(guān)的能量耗散值來表示潛在可能的氣蝕損傷。使用Damage Power（W）來判定氣蝕是否發(fā)生，以Damage Power的值為Gcr=5W來作為氣蝕發(fā)生的臨界值，即當Damage Power值G≥Gcr時，此處可能發(fā)生氣蝕；Damage Power值G＜Gcr，此處可能無氣蝕發(fā)生。將標尺最大值調(diào)為5W，圖5氣蝕云圖中紫色區(qū)域即為G≥Gcr的區(qū)域，即為數(shù)值模擬預(yù)測的潛在氣蝕位置。需要注意的是，氣蝕的臨界值5W僅僅是預(yù)測氣蝕可能發(fā)生的一個能量指標，也就是說，氣蝕云圖中紫色區(qū)域僅僅是可能發(fā)生氣蝕的位置，具體位置是否真的發(fā)生氣蝕還和金屬表面的材料強度及表面處理方式有關(guān)。

圖5 Din/Dout =1.4，6500rpm下氣蝕分布（轉(zhuǎn)子一圈內(nèi)）

如圖5，為轉(zhuǎn)速6500rpm，入口壓力為0.08MPa，出口壓力為0.6MPa，滑油中空氣質(zhì)量分數(shù)為10.5×10-5，泵的進、出口直徑比為1.4時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈下，截取的不同角度下出現(xiàn)潛在氣蝕的位置。可以看出，可能發(fā)生的氣蝕位置出現(xiàn)在兩齒輪嚙合的流體域端面、內(nèi)側(cè)及外側(cè)，其中流體域端面對應(yīng)的固體壁面為用于隔開兩級齒輪的擋板壁面；流體域內(nèi)、外側(cè)對應(yīng)的是內(nèi)齒輪的外側(cè)表面和外齒輪的內(nèi)表面。對于齒輪來說，一般強度較高，表面且均會做強化處理，因此，在真實的情況下，可能流體域的端面處相較于流體域內(nèi)側(cè)更有可能真實發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

圖5～8分別為進、出口壓力分別0.08MPa和0.6MPa，空氣質(zhì)量分數(shù)為10.5×10-5，轉(zhuǎn)速6500rpm下，不同進出口直徑比的結(jié)構(gòu)下的氣蝕云圖對比。隨著進口面積的減小，滑油進口流速增加，進口壓力降低，導(dǎo)致滑油自身蒸發(fā)量增大，空化現(xiàn)象加劇，從而導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象加劇。當進出口直徑比減小為1.6時，從圖6中可以看出，齒輪旋轉(zhuǎn)一圈，已經(jīng)出現(xiàn)了多處大面積潛在氣蝕。當進出口直徑比進一步減小為1.4時，氣蝕現(xiàn)象更嚴重且分布區(qū)域更多。四種結(jié)構(gòu)中進出口直徑比為2.0時，抗氣蝕性能最好。

圖6 Din/Dout=1.6，6500rpm下氣蝕分布（轉(zhuǎn)子一圈內(nèi)）

圖7 Din/Dout=1.8，6500rpm下氣蝕分布（轉(zhuǎn)子一圈內(nèi)）

圖8 Din/Dout=2.0，6500rpm下氣蝕分布（轉(zhuǎn)子一圈內(nèi)）

3.2 不同進口面積、不同空氣含量下下滑油泵性能分析

計算的工況及出口流量結(jié)果見表2。

表2 工況表

3.2.1 不同結(jié)構(gòu)下總效率隨空氣質(zhì)量分數(shù)變化

關(guān)于效率的定義可參見文獻7。

從圖9可以看出，結(jié)構(gòu)Din/Dout=2.0在含氣量3×10-5～23.74×10-5的范圍內(nèi)，相比其他結(jié)構(gòu)效率最高。而且隨著含氣量的增加，四種結(jié)構(gòu)的效率整體都在下降。但是局部都有最高點。這是因為空氣含量的增加，會導(dǎo)致出口體積流量減小，軸功率也會稍有降低，總效率受出口體積流量和軸功率共同作用發(fā)生變化，因此出現(xiàn)了局部的極值點；當空氣含量進一步增加，出口體積流量大大減小，同時氣蝕現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致總效率降低。

圖9 不同結(jié)構(gòu)下，總效率與空氣質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系

對于結(jié)構(gòu)Din/Dout=2.0，其在含氣量為10.5×10-5時，對應(yīng)效率最高，后隨著含氣量進一步增大，效率降低；對于結(jié)構(gòu)Din/Dout=1.8，其最佳的含氣量為3×10-5或10.5×10-5。結(jié)構(gòu)Din/Dout=1.4和1.6最佳的含氣量5×10-5～10.5×10-5。

3.2.2 不同結(jié)構(gòu)下出口流量隨空氣質(zhì)量分數(shù)變化

由圖10可以看出，隨著空氣質(zhì)量分數(shù)的增加，占據(jù)了油液流動的空間，因此四種結(jié)構(gòu)下泵的出口體積流量整體上基本都在下降。在含氣量變化范圍內(nèi)（3×10-5～23.74×10-5），同一含氣量下，隨著進出口面積比增大，出口流量隨之減小，當進出口面積比從Din/Dout=1.8進一步增長到Din/Dout=2.0時，對應(yīng)的出口流量已基本不再增長，甚至稍有降低。因此，結(jié)構(gòu)Din/Dout=1.8或者Din/Dout=2.0的泵出口流量最大。

圖10 不同結(jié)構(gòu)下，油氣比與出口體積流量的關(guān)系

3.3 最佳進口面積確定

由3.1節(jié)我們得到進出口直徑比Din/Dout=2.0的泵抗氣蝕性能最好。

由3.2.1節(jié)可知四種結(jié)構(gòu)，在不同的含氣量變化范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)Din/Dout=2.0效率最高，因此從效率角度出發(fā)，最佳結(jié)構(gòu)仍為Din/Dout=2.0。

由3.2.2節(jié)可知四種結(jié)構(gòu)，在不同的含氣量變化范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)Din/Dout=2.0和Din/Dout=1.8，因此，從供油能力角度出發(fā)，最佳結(jié)構(gòu)仍為Din/Dout=2.0或者1.8。

綜合以上三點因素，可認為最佳的結(jié)構(gòu)為直徑比為Din/Dout=2.0（最佳油氣比為10e-5）。此時，最佳滑油流速為0.713m/s。

4 結(jié)語

本文基于某型航空發(fā)動機滑油泵供油級結(jié)構(gòu)和工況條件，研究了其進口面積和滑油中空氣含量的變化對滑油泵抗氣蝕性能、效率和出口流量的影響。最終獲得了最佳的滑油泵進口面積，并進一步確定出了滑油泵的最佳進口平均流速。具體可以得到以下結(jié)論。

（1）在滑油泵抽油能力一定的情況下，即進口、出口壓力、轉(zhuǎn)速、空氣含量一定時，滑油泵進口面積越小，抗氣蝕性能越差；四種結(jié)構(gòu)中，進、出口直徑比為Din/Dout=2.0抗氣蝕性能最佳。

（2）滑油中空氣含量一定時，進口面積越大，效率越高；同一進口面積下，隨著空氣含量增加，泵的總效率整體在下降，但由于軸功率和出口流量的共同作用導(dǎo)致總效率變化存在局部最高值。四種結(jié)構(gòu)中，進口、出口直徑比為Din/Dout=2.0效率最高。

（3）同一進口面積下，空氣含量越大，出口體積體積流量越小；同一空氣含量下，隨著進口面積的增加，出口流量隨之增加；但隨著進出口直徑比從1.8繼續(xù)增加到2.0時，出口流量基本已經(jīng)不再增加，此時，進口面積再進一步增大對于提高泵的供油能力來說已經(jīng)沒有意義。

（4）綜合抗氣蝕性能、效率和出口流量的對比，四種結(jié)構(gòu)中，進出口直徑比為2.0的泵整體性能表現(xiàn)最佳，對應(yīng)此時進口的最佳滑油流速為0.713m/s。