徐杏欽, 白照高

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柱塞式燃料泵及燃料供應(yīng)系統(tǒng)啟動特性研究

徐杏欽, 白照高

(海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局, 陜西西安, 710054)

為了進(jìn)一步提高魚雷熱動力系統(tǒng)啟動的可靠性, 在分析柱塞式燃料泵結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上, 從物理學(xué)角度得出了系統(tǒng)啟動的理論必要條件, 通過對柱塞式燃料泵的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和魚雷實(shí)航數(shù)據(jù)的比較分析, 提出了使柱塞式燃料泵及燃料供應(yīng)系統(tǒng)具有良好啟動特性的設(shè)計準(zhǔn)則, 即燃料泵相關(guān)設(shè)計參數(shù)必須滿足/′＜1/(/+1)。研究得出, 柱塞式燃料泵在啟動階段, 燃料為氣體狀態(tài)時, 其進(jìn)出口壓力的比值達(dá)到某一極限值時燃料泵就不能啟動。

熱動力魚雷; 柱塞式燃料泵; 啟動特性; 燃料供應(yīng)系統(tǒng)

0 引言

正常工作時, 柱塞式燃料泵進(jìn)出口壓差可以達(dá)到很大的值, 這一特點(diǎn)符合魚雷發(fā)動機(jī)的工作特性, 因此被廣泛應(yīng)用在魚雷熱動力系統(tǒng)中。

燃料泵的啟動特性是指在發(fā)動機(jī)啟動階段, 燃料泵在發(fā)動機(jī)的帶動下供給燃料的能力。由于在啟動階段, 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從零開始逐漸加速, 燃料泵在發(fā)動機(jī)的帶動下也從零開始逐漸加速, 并且其轉(zhuǎn)速隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化, 有時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動。此外, 柱塞式燃料泵剛啟動時, 其工作介質(zhì)不是液體燃料, 而是裝配時管路中存留的氣體, 在啟動階段要完成工作介質(zhì)從氣體到液體燃料的轉(zhuǎn)換過程。完成這一過程后將泵出的燃料通過燃料管路送入燃燒室并在燃燒室內(nèi)分解, 燃料泵的啟動過程就完成了。而這一過程必須在一定的時間(發(fā)動機(jī)在無燃料供應(yīng)的情況下使用固體藥柱所能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時間)內(nèi)完成。因此, 對柱塞式燃料泵啟動特性的研究是研究動力系統(tǒng)啟動特性的基礎(chǔ)性工作, 也是發(fā)動機(jī)相關(guān)設(shè)計參數(shù)選擇的依據(jù)。為此, 本文通過對柱塞式燃料泵結(jié)構(gòu)特性的分析, 應(yīng)用物理學(xué)定律對柱塞式燃料泵啟動的必要條件進(jìn)行了理論上的定量描述, 并從這一條件出發(fā), 研究了影響柱塞式燃料泵啟動過程的各種因素。

1 柱塞式燃料泵啟動的必要條件

當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動時, 柱塞式燃料泵工作在氣體狀態(tài), 即要將燃料艙出口到燃料泵入口之間連接管路內(nèi)的氣體抽吸到燃料泵出口。由于此時發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)固體藥柱正在燃燒, 其內(nèi)部壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燃料泵出口壓力, 但在燃燒室單向閥的作用下, 燃燒室壓力被隔離, 不能傳遞到燃料泵出口。此時, 燃料泵出口到燃燒室單向閥之間管路內(nèi)的壓力由啟動前的(裝配時的大氣壓力)逐漸上升。當(dāng)燃料艙出口到燃料泵入口之間連接管路內(nèi)的氣體全部被抽吸到燃料泵出口到燃燒室單向閥之間管路內(nèi), 而液體燃料還沒有進(jìn)入泵缸體內(nèi)時,達(dá)到在氣體工作狀態(tài)時的最大值, 其值是

=(V/V+1) (1)

式中:V為燃料艙出口到燃料泵入口之間管路的總?cè)莘e;V為燃料泵出口到燃燒室單向閥之間管路內(nèi)的總?cè)莘e。上述兩腔體內(nèi)在裝配時未填充燃料。

由圖1所示的柱塞氣體工作原理圖可以看出, 假設(shè)配流環(huán)工作在理想狀態(tài)下, 也就是在壓縮時配流環(huán)的工作使缸體出入口和泵出口相通, 在抽吸時, 配流環(huán)的工作使缸體出入口和泵入口相聯(lián)。當(dāng)柱塞在位置1時, 缸體出入口與燃料泵入口相連, 其壓力為′(由于燃料增壓系統(tǒng)已開始工作, 燃料艙內(nèi)壓力已不再是)。當(dāng)柱塞在位置2時, 缸體出入口與燃料泵出口相連, 其壓力為1, 根據(jù)氣態(tài)方程, 當(dāng)

×=′(+) (2)

即/′=/+1 (3)

柱塞式燃料泵將失去抽吸能力。也就是說, 當(dāng)柱塞式燃料泵工作在氣體狀態(tài)且其進(jìn)出口壓力比值滿足式(3)時, 柱塞式燃料泵將啟動失敗。式(3)中是缸體有效容積,是缸體余隙容積(包括缸體底部與配流環(huán)相聯(lián)部分氣道的容積)。

式(3)就是柱塞式燃料泵啟動的極限條件, 因此, 柱塞式燃料泵啟動的必要條件是

/′＜/+1 (4)

圖1 柱塞缸體氣體狀態(tài)工作原理

可以這樣理解這一必要條件, 當(dāng)柱塞完成吸氣過程到達(dá)位置1后, 此時氣體體積為, 壓力為′。假定堵住缸體出入口, 使柱塞往下運(yùn)動至位置2, 此時氣體體積為, 壓力為, 若×=′(+), 由于可以忽略這一過程的溫度變化, 則位置1缸體內(nèi)的氣體總量與位置2缸體內(nèi)的氣體總量相等, 即柱塞往復(fù)一次后沒有氣體被吸入或壓出。因此, 當(dāng)?shù)淖畲笾禎M足式(4)時, 燃料泵才能完成從氣體工作狀態(tài)到液體燃料工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

在實(shí)際工程應(yīng)用中, 考慮到配流環(huán)的非理想工作狀態(tài)和燃料泵啟動時間短等情況, 將式(4)修正為

/′＜1/(/+1) (5)

其中,為修正系數(shù), 取值范圍一般是1.3~1.8。

2 影響柱塞式燃料泵啟動性能因素分析

根據(jù)式(5)可對影響柱塞式燃料泵啟動性能的各種因素進(jìn)行分析。首先對式(5)不等號右邊進(jìn)行分析,是缸體有效容積,是缸體余隙容積,/取決于結(jié)構(gòu)參數(shù)和機(jī)械加工精度, 根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn), 其值一般在8~10之間。為修正系數(shù), 取值范圍一般是1.3~1.8。因此, 當(dāng)柱塞式燃料泵結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后, 不等號右邊的數(shù)值也可以確定。

2.1 燃料加壓系統(tǒng)及燃料加注量對柱塞式燃料泵啟動特性的影響

根據(jù)能供系統(tǒng)工作原理, 動力系統(tǒng)(全雷)在裝配時的大氣壓就是啟動前柱塞式燃料泵進(jìn)出口各管路內(nèi)的壓力, 當(dāng)電爆活門動作后, 高壓氣瓶內(nèi)的CO氣體經(jīng)減壓器減壓后注入燃料艙, 在啟動階段的數(shù)秒內(nèi)使燃料艙內(nèi)達(dá)到一定的壓力, 這一壓力就是柱塞式燃料泵進(jìn)口壓力′?！湓趩与A段是不斷變化的, 隨著注入燃料艙內(nèi)氣體的不斷增加,′也增大。因此, 啟動階段某一時刻′的數(shù)值取決于氣瓶壓力、減壓器的流量、燃料艙內(nèi)空容積(與燃料加注量有關(guān))的大小以及啟動時間的長短。

當(dāng)燃料加壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障, 不能在啟動階段使燃料艙內(nèi)建立一定的壓力, 或者燃料加注量太少, 使燃料艙內(nèi)空容積太大, 即使燃料加壓系統(tǒng)工作正常, 也會使燃料艙內(nèi)壓力不能在啟動要求的時間內(nèi)建立起來而造成燃料泵啟動必要條件不能滿足, 從而使得燃料泵啟動失敗。

2.2 柱塞式燃料泵進(jìn)出口管路設(shè)計對啟動特性的影響

從上述分析過程中可以得出, 柱塞式燃料泵進(jìn)出口管路設(shè)計對的影響較大, 根據(jù)式(4),/′的值越大越不易滿足燃料泵啟動必要條件。因此, 要設(shè)計出啟動性能良好的柱塞式燃料泵, 就要降低在氣體狀態(tài)下泵出口壓力的最大值, 即降低的值。根據(jù)式(1), 由于是裝配時的大氣壓力, 不能控制, 要使得的值減小, 就必須減小V/V的值, 這兩段管路及相關(guān)部件內(nèi)燃料腔室的設(shè)計除了要滿足燃料泵啟動性能外, 主要是考慮功能結(jié)構(gòu)的需要, 管路要考慮連接裝配的方便性, 還要滿足燃料流量的要求, 還必須考慮到V的增加會使燃料充填燃料泵出口到燃燒室單向閥之間管路的時間延長, 反過來影響動力系統(tǒng)啟動時間。

2.3 發(fā)動機(jī)啟動性能對燃料泵啟動特性的影響

發(fā)動機(jī)啟動性能對燃料泵啟動特性的影響是顯而易見的, 發(fā)動機(jī)必須提供初始的動力使燃料泵轉(zhuǎn)動, 在燃料進(jìn)入燃燒室之前提供的動力總轉(zhuǎn)數(shù)必有滿足燃料泵從氣體工作狀態(tài)到液體燃料工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換并使燃料充填V, 再進(jìn)入燃燒室分解的全過程的需要。完成這一過程后, 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、燃燒室的溫度和壓力還必須達(dá)到一定的值, 以保證整個動力系統(tǒng)啟動的平穩(wěn)性。因此, 在發(fā)動機(jī)設(shè)計時, 必須考慮固體藥柱的總能量和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量等因素, 縮短發(fā)動機(jī)的加速過程, 增加發(fā)動機(jī)啟動能量, 以保證燃料泵能快速完成啟動過程。

3 應(yīng)用實(shí)例

某小型魚雷在實(shí)航試驗(yàn)中發(fā)生了燃料增壓系統(tǒng)故障, 導(dǎo)致動力系統(tǒng)啟動失敗, 魚雷在入水點(diǎn)下沉, 到達(dá)安全深度后操雷排載, 其中一條次上浮, 一條次因多裝燃料而沉入湖中, 后打撈成功。為徹底分析故障原因, 在全面排查分析的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行了一系列陸上試驗(yàn)。其中一項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)計如下。

按圖2連接燃料艙、互鎖閥、燃料泵、燃燒室及泵試驗(yàn)臺, 燃料艙的傾斜角也模擬實(shí)航啟動過程。按上述方案分別采用紅油(粘度模擬)和糖水(密度模擬)作為代用工質(zhì), 并設(shè)置不同的角度, 見圖3, 共進(jìn)行6次試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)表明, 此型動力系統(tǒng)在燃料艙不增壓的條件下會出現(xiàn)燃料不能正常進(jìn)入燃燒室的現(xiàn)象, 6次試驗(yàn)中有4次燃料泵不能完成啟動, 還有1次即使完成啟動也不能正常工作, 這與之前進(jìn)行的全雷實(shí)航試驗(yàn)中燃料增壓系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的動力系統(tǒng)不能正常啟動的情況相吻合。這些試驗(yàn)結(jié)果可以用本文提出的柱塞式燃料泵啟動必要條件等觀點(diǎn)來解釋。式(5)中, 根據(jù)此型魚雷柱塞式燃料泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計算出小于號右邊的結(jié)果

1/(/+1)=1/1.5(9+1)=6.7 (6)

表1 燃料泵啟動試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 燃料供應(yīng)系統(tǒng)連接圖

圖3 不增壓條件下燃料(代用工質(zhì))供應(yīng)試驗(yàn)連接圖

其中,是修正系數(shù), 取1.5, 式(5)小于號右邊的計算如下: 由于沒有增壓, 故′=, 又根據(jù)式(1),=(V/V+1)=(5.8+1)=6.8×, 所以/′ =/=6.8, 故/′≮1/(/+1)。

上述計算過程中, 由于無法精確測量燃料泵的余隙容積, 對/的計算只是采用了估算和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。此外, 對燃料泵進(jìn)出口管路總?cè)莘e的計算, 由于連接頭及泵蓋(調(diào)節(jié)閥)內(nèi)腔容積不易測量等因素, 其計算結(jié)果可能會有較大誤差。

由此可見, 此型動力系統(tǒng)在燃料艙不增壓的條件下燃料泵的啟動處于臨界狀態(tài), 因此, 其他細(xì)微的因素都有可能影響燃料泵啟動必要條件是否能滿足, 從而影響動力系統(tǒng)的啟動。這一分析計算結(jié)果與此型魚雷實(shí)航試驗(yàn)和此型動力系統(tǒng)的陸上試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

4 結(jié)束語

柱塞式燃料泵在啟動階段工作在氣體狀態(tài)時其進(jìn)出口壓力的比值是有極限值的, 超過這一極限比值燃料泵就不能啟動。影響燃料泵啟動特性的主要因素有: 燃料艙增壓系統(tǒng)設(shè)計、燃料泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計、連接燃料泵進(jìn)出口的管路設(shè)計、發(fā)動機(jī)啟動工作特性以及使用時的燃料加注量。所有這些因素綜合作用的結(jié)果只有滿足/′<1/(/+1)時, 才能使柱塞式燃料泵可靠啟動。

[1] 馬世杰. 魚雷熱動力裝置設(shè)計原理[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 1991.

[2] 張宇文. 魚雷總體設(shè)計原理與方法[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1998.

[3] 范鳳桐. 魚雷航行動力學(xué)[M]. 武漢: 中國人民解放軍海軍工程學(xué)院, 1981.

[4] 胡巍. 燃料擠代增壓系統(tǒng)故障進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)報告[R]. 西安: 中國船舶重工集團(tuán)第七O五研究所, 2010.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Study on Starting Characteristics of Plunger Type Fuel Pump and Fuel Supply System

XU Xing-qin, BAI Zhao-gao

(Xi′an Representative Bureau, Naval Armament Department, Xi′an 710054, China)

Tofurther enhancethe startingreliability of torpedo thermal power system, the theoretical necessary condition of system starting is obtained in the view of physics by analyzing the structural feature of a plunger type fuel pump. By analyzing the data from test of the fuel pump and sea trial of a torpedo, a design criterion is offered to achieve better starting characteristics of the plunger type fuel pump and the fuel supply system, that is, the fuel pump′s design parameters must satisfy/′<1/(/+1). It is found that the fuel pump can not start if the ratio of inlet to outlet pressure reaches a limit when the plunger type fuel pump works in starting phase and the fuel is in gaseous state.

thermal power torpedo; plunger type fuel pump; starting characteristic; fuel supply system

TJ630.32

A

1673-1948(2011)06-0459-04

2011-03-24;

2011-05-10.

徐杏欽(1963-), 男, 碩士, 高級工程師, 主要研究領(lǐng)域?yàn)轸~雷工程.