基于PumpLinx的燃油柱塞泵配流副抗气蚀研究.pdf

第42 卷第1期2024年1月DO1:10.20096/j.xhxb.1008-9233.2024.01.010西安航空学院学报Journal of Xian Aeronautical InstituteVol.42 No.1Jan.2024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7 10 0 0 0）摘要：针对某型燃油柱塞泵耐久性试验后配流副出现严重气蚀现象，对燃油柱塞泵配流副抗气蚀原理进行理论分析，应用PumpLinx软件建立燃油柱塞泵流体域动态模型，仿真分析额定工况下影响配流副气蚀的因素。结果表明，随着进口压力减小、转速增大、温度增大，气蚀加重；配流盘阻尼槽三角槽宽度角度增大能有效抑制气蚀，三角槽宽度角度达到9 0 时，三角槽处气蚀几乎消失。根据仿真结果给出抗气蚀措施：进口压力由0.2 MPa提高至0.3 MPa，三角槽宽度角度由7 5优化为90。仿真和试验验证证明了该抗气蚀措施的正确性。研究结果为解决配流副气蚀问题提供了一种有效方法。关键词：PumpLinx；燃油柱塞泵；抗气蚀中图分类号：TH322Research on Cavitation Resistance of Fuel Piston Pump Distribution文献标识码：APair Based on PumpLinx文章编号：10 0 8-92 3 3(2 0 2 4)0 1-0 0 54-0 5CAI Wenbo(Department of Naval Armament,Xian 710000,China)Abstract:Aiming at the severe cavitation phenomenon of the distribution pair after the durabilitytest of a certain type of fuel piston pump,the principle of anti-cavitation of the distribution pair ofthe fuel piston pump is theoretically analyzed,and the fluid domain dynamic model of the fuelpiston pump is established by using PumpLinx software,and the factors affecting the cavitation ofthe distribution pair under the rated working conditions are simulated and analyzed.The resultsshow that with the decrease of the inlet pressure,the increase of the rotational speed and theincrease of the temperature,the cavitation is aggravated;the increase of the width angle of thetriangular groove of the valve damping groove can effectively suppress cavitation.When the widthangle of the triangular groove reaches 90,the cavitation at the triangular groove almostdisappears.According to the simulation results,the anti-cavitation measures are given:the inletpressure is increased from 0.2 MPa to 0.3 MPa,and the width angle of the triangular groove isoptimized from 75 to 90 The simulation and experimental verification prove the correctness of收稿日期：2 0 2 3-0 8-2 9作者简介：蔡文波（1990 一），男，湖北武汉人，工程师，主要从事燃油控制附件质量研究。第1期the anti-cavitation measures,and the results provide an effective method to solve the cavitation ofdistribution pair.Keywords:PumpLinx;fuel piston pump;anti-cavitation0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-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：P.Pa+(AP+P:+AP,)gs2g式中：Pin为泵进口压力；Pgs为介质气化压力；为工作介质的重度；U3为液体进入配流副缸体内的流速;g为重力加速度；P1为泵进口至配流窗口前的压力损失；P2为配流窗口内的压力损失；P3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+0.005X(T-20)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：Pi=Ci w 2P,=C,2AP.+=C.2g式中,C1、C 2、C 为与阻力系数有关的常数，其中配流盘阻尼槽对C影响较大。将公式（2）至公式（5）代入公式（1）中，得到公蔡文波：基于PumpLinx的燃油柱塞泵配流副抗气蚀研究塞泵配流副抗气蚀措施。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参数额定转速/(rmin-1)斜盘倾角/（）泵出口压力/MPa泵进口压力/MPa(1)柱塞数/个分油盘腰形槽宽度/mm柱塞腰形槽范围角/（）配油盘阻尼槽宽度角度/（）流体介质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(2)树生成网格的方法生成笛卡尔网格。(3)（4)(5)55式（6)：Pn0.2+0.005X(T-20)+(Cr+Cz+Cs)Xw(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，探究燃油柱图1流体域仿真模型数值4.05017210.29103075RP-3562.3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2 1MPa。求解器参数设置中设置泵旋转速度为40 50 rpm，空化设置为全空化，工作温度3 0 0 K，对应的饱和蒸汽压为4.0 0 0 Pa,压力速度耦合算法选用 SIMPLIC算法。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。Cavitation:Total VoluneFraction-西安航空学院学报图4产品配流盘吸油窗口发生汽蚀处流副气蚀的影响。分别设置进口压力为0.1MPa、0.2MPa、0.3 M Pa、0.4M Pa,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0.4MPa时，柱塞泵空化发生区域几乎消失，完全没有气蚀产生。Cavitation:Total Volunc FractionlJ第42 卷Cavitation:Total Volunc Fractionl!0(a)0.1 MPalCavilalion:Total Volune FraclionlJ(b)0.2 M PalCavitation:Total VoluneFraclionlJ图2 总气体体积分数分布(c)0.3 MPa0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 0 0 0 rmin1、40 50 r min-1、5000rmin-1、6 0 0 0 r min-1,得到不同转速下图3 配流盘阻尼槽气体体积分布配流副空化气体体积分数图如图6 所示。可以看3酉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(d)0.4 MPa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。第1期Cavifafion:Total Volune.Frnctionl-l(a)3 000 r:min*iCavitution:Total VoluneFractionl-!蔡文波：基于PumpLinx的燃油柱塞泵配流副抗气蚀研究Cavitation:Total VoluneFractionl-1(b)4.050 r:min*lCavitution:Total Volune Fructionl-!57宽度角度0 2 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6 5、7 0、7 5、8 0、8 5、9 0，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9 0 时，阻尼槽处的空化发生区域几乎消失，无气蚀产生。BD(c)5 000 r:minl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30 0 K、333K、37 3K、403K，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。Cavitation:Total VoluneFractionl-l(d)6 000r-minCavitation:Total VoluneFractionl-l图8三角槽结构示意图Cavitation:Total Volunc Fractionl JCavitation:Total Volunc Fractionl(a)(6.5(h)7(0Caviltation:Total VoluncFractionlJCuvitalion:Total VoluneFraclionl0(a)300 KCavitation:Total VoluneFractionl-10(b)333 KCavitation:Total Volune Fractionl-l(c)75Gavitalion:Total Volune:Fraclionl-I(d)80Gavitalion:Total VoluncFracLionl-(c)373 K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(d)403 K(e)85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配流副气蚀影响因素综合分析表如表2 所示。(f)9058影响因素进口压力转速温度配流盘阻尼槽结构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7 5优化为9 0；(2)进口压力由0.2 MPa提高至0.3MPa。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。Cavitation:Total Volune Fraction-0西安航空学院学报表2 酉配流副气蚀影响因素综合分析表影响因素的变化规律进口压力越大，配流副气蚀发生概率越小转速越高，空化程度越严重，进而气蚀情况越严重温度越高，空化程度越严重，进而气蚀情况越严重随着三角槽宽度角度的增大，三角槽处空化面积明显减小，当三角槽宽度角度为9 0 时，无气蚀产生第42 卷100h耐久性寿命试验，试验过程中产品性能一切正综合分析常。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。产品的转速和温度一般为限定条件，通过保证进口压力为0.3 0.5MPa，配流盘阻尼槽三角槽宽度角度为90可以有效抑制配流副气蚀的产生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9 0 时，三角槽处气蚀几乎消失。参考文献1李壮云.液压元件与系统（第3版)M.北京：机械工业出版社，2 0 16.2那成烈.轴向柱塞泵可压缩流体配流原理M.北京：兵器工业出版社，2 0 0 3.3张军辉，周万仁，赵喻明，等.配流盘对轴向柱塞泵声振特性的影响J.液压与气动，2 0 17（4）：42-48.4史翔，赵东标.航空柱塞泵配流盘结构优化分析.机床与液压,2 0 15，43（2 2）：57-6 0.5田振东，黄家海，王灏，等.基于全空化模型的高压柱塞泵配流盘空化研究J.液压与气动，2 0 18(1)：17-2 2.6王凯丽，曹学鹏，曹皓清，等.基于CFD的深海柱塞泵配流副流场特性分析J.液压与气动，2 0 18（12）：37-42.7苑士华，周俊杰，罗先伟，等.轴向柱塞泵空化时气相动态演进过程及影响J.兵工学报，2 0 15，36（3）：559-565.8王震，聂松林,尹方龙，等.基于PumpLinx纯水轴向柱塞泵配流盘卸荷槽结构的仿真分析J.液压与气动，2016(2):11-16.责任编辑：吴振松图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