王　凱，　孫　濤　史小鋒　伊　寅　李永東　黃艷芬

（1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所， 陜西 西安， 710075； 2. 水下信息與控制重點實驗室， 陜西 西安，710075； 3. 北京?；问⒖萍加邢薰荆?北京， 610041）

基于PumpLinx的變量燃料泵流動特性仿真研究

王凱1，2，孫濤1，史小鋒1，伊寅1，李永東1，黃艷芬3

（1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所， 陜西 西安， 710075； 2. 水下信息與控制重點實驗室， 陜西 西安，710075； 3. 北京海基嘉盛科技有限公司， 北京， 610041）

為了研究魚雷變量燃料泵的流動特性， 文中提出了一種使用標準模版實現(xiàn)靜缸式柱塞泵的研究方法， 通過3D建模軟件UG與計算流體力學（CFD）仿真軟件PumpLinx完成對柱塞泵的仿真。在此基礎上， 進一步對泵的流量、壓力和空化進行了仿真和分析。仿真結(jié)果表明， 變量泵不會產(chǎn)生空化現(xiàn)象， 但流量脈動較大且高低壓過渡不平穩(wěn)， 這些結(jié)論對變量泵的改進設計有一定的參考價值。

魚雷; 變量燃料泵; 靜缸式

0　引言

動力系統(tǒng)是魚雷的重要組成部分， 它對魚雷的航速、航深、可靠性等都有著重要影響［1］。燃料泵是魚雷動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件， 其主要作用是將高壓燃料源源不斷輸送至燃燒室中［2］。

目前， 魚雷液體燃料的增壓及輸送均使用直軸式高壓柱塞泵。根據(jù)動力系統(tǒng)燃料流量的調(diào)節(jié)方式不同， 可采用斜盤傾角固定的定量柱塞泵或可變?nèi)剂狭髁康淖兞恐?種形式。定量燃料泵技術(shù)已經(jīng)成熟， 而變量燃料泵研究還不夠深入，可供借鑒的資料非常有限?！霸O計-樣機-試驗-定型”的每個環(huán)節(jié)都難以避免出現(xiàn)反復， 導致設計周期長。計算流體力學（computational fluid dynamics， CFD）仿真能以較少的費用和較短的時間模擬出燃料泵的流量、壓力、空化等流動特性， 因此開展燃料泵的CFD仿真十分必要。

PumpLinx是美國Simerics公司研發(fā)的專業(yè)泵閥仿真軟件， 其具有模擬流動、通風、汽蝕的高精度模型， 可快速完成柱塞泵網(wǎng)格劃分， 計算模型設置， 快速求解等功能， 能夠幫助工程師更好地設計泵和馬達。

采用PumpLinx進行變配流式變量柱塞泵CFD模擬的難點主要體現(xiàn)在： 1） PumpLinx提供的柱塞泵模板是轉(zhuǎn)缸式， 不能直接用于靜缸式柱塞泵的仿真； 2） 該軟件已用于變斜盤傾角的變量泵仿真， 如何實現(xiàn)變配流角的變量泵仿真尚需進一步研究。

文中采用復合建模技術(shù)、復雜流體域提取技術(shù)、基于專有的幾何等角自適應二元樹（geometry conformal adaptive binary tree， CAB）算法［3］的網(wǎng)格劃分技術(shù)建立了燃料泵的CFD模型， 解決了PumpLinx的轉(zhuǎn)缸式柱塞泵模板用于變量燃料泵仿真面臨的2個難題， 首次實現(xiàn)了燃料泵的3D流體性能仿真。

1　工作原理

靜缸變配流式軸向柱塞泵是一種新型的液壓泵， 它不同于常規(guī)的轉(zhuǎn)缸斜盤式柱塞泵。標準柱塞泵是轉(zhuǎn)缸式， 缸體帶動柱塞旋轉(zhuǎn)， 柱塞在柱塞孔中作往復運動。為使柱塞的運動和吸、壓油區(qū)的切合準確， 在缸體的配流端面和泵的吸、壓油通道之間安放一個固定不動的配流盤［4］。標準柱塞泵通過改變斜盤傾角調(diào)節(jié)燃料泵流量大小。

靜缸式柱塞泵的油缸固定， 斜盤與主軸由鍵配合并隨主軸旋轉(zhuǎn)， 軸承和軌道輪傳遞帶動柱塞在油缸中作直線往復運動， 柱塞彈簧提供柱塞處于低壓區(qū)吸油過程所需的回程力， 確保柱塞與軌道始終接觸。配流環(huán)安裝在主軸偏心小軸上， 隨著主軸作偏心旋轉(zhuǎn)。缸體配流口隨配流環(huán)的運動間歇性連通吸、壓油區(qū)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

靜缸變配流式軸向柱塞泵的配流角可變， 其驅(qū)動軸帶動中心軸和斜盤旋轉(zhuǎn)， 提供柱塞往復運動所需的動力。在流量調(diào)節(jié)過程中， 根據(jù)系統(tǒng)的需求， 在轉(zhuǎn)速控制器控制信號作用下， 電機旋轉(zhuǎn)后經(jīng)過減速器驅(qū)動齒輪和絲桿旋轉(zhuǎn)， 通過與絲桿配合的絲套將電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榻z套的直線往復運動， 從而通過杠桿和導向軸帶動中心軸轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動配流閥轉(zhuǎn)動， 改變配流閥的配流角度， 實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。

圖1　軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)圖Fig. 1　Structure of axial piston pump

靜缸變配流式軸向柱塞泵具有容積效率高、功率損失小、易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點。

軸向柱塞泵的配流盤每旋轉(zhuǎn)1周， 每個活塞往復1次， 完成1次吸油和壓油。配流角度一定時， 變配流式燃料泵相當于定量軸向泵， 理論流量可用下式計算

式中： Q為燃料泵流量， L/min； d為柱塞直徑， mm；Z為柱塞個數(shù)； R為柱塞分布圓半徑， mm； γ 為斜盤傾角， （°）； n為轉(zhuǎn)速， r/min； ηv為容積效率。

2　燃料泵流體特性仿真

2.1模型建立

在UG環(huán)境建立完整的柱塞泵實體模型， 通過布爾運算得到柱塞泵流場部分的3D模型， 提取柱塞泵流體域， 將流體域?qū)氲絇umpLinx， 并對其進行分區(qū)處理， 最終的流體域如圖2所示。

圖2　柱塞泵流體域Fig. 2　Fluid region of piston pump

PumpLinx包括1個網(wǎng)格生成器， 其采用專有的CAB算法， 可自動生成柱塞泵的網(wǎng)格模型。設置網(wǎng)格尺寸， 依次對進口區(qū)域、出口區(qū)域、配流區(qū)域和活塞區(qū)域劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后流體域模型如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格模型Fig. 3　Grid model

采用動網(wǎng)格方法處理柱塞泵的運動， 對動靜流域分別建模， 動靜流域通過PumpLinx獨特的全隱式滑移界面（mismatched grid interface， MGI）技術(shù)自動在不同位置重新聯(lián)結(jié)［5］。

2.2仿真計算

PumpLinx軟件提供了一些常規(guī)泵的專業(yè)模板， 大大降低了仿真分析的難度， 然而其提供的柱塞泵模板是標準斜盤式柱塞泵的， 為轉(zhuǎn)缸式柱塞泵， 與燃料泵偏心靜缸變配流式柱塞泵結(jié)構(gòu)差異較大， 所以無法直接套用該模板一步步地完成仿真計算。

利用柱塞泵模板所提供的網(wǎng)格生成與設置工具， 在活塞和配流區(qū)域生成動網(wǎng)格， 并將柱塞泵轉(zhuǎn)速設置為與斜盤轉(zhuǎn)動相反的方向， 從而抵消活塞和配流區(qū)域的轉(zhuǎn)動， 實現(xiàn)靜缸變配流式柱塞泵的仿真計算。

變配流角的變量燃料泵仿真需通過設置不同的配流角來實現(xiàn)， 而PumpLinx軟件現(xiàn)有的柱塞泵模板并無配流角的設置功能， 所以無法直接用其完成變配流式柱塞泵的仿真計算。可利用UG計算得到柱塞泵流體部分3D模型， 提取流體域的過程， 單獨切割出柱塞泵配流盤部分， 使用UG“編輯-移動對象”功能完成配流盤的旋轉(zhuǎn)， 從而實現(xiàn)柱塞泵的變配流角。

根據(jù)燃料泵實際參數(shù)， 設置柱塞泵模板， 選取高級模式， 設置柱塞數(shù)、斜盤中心、斜盤法向量， 并設置轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。根據(jù)設計的額定工況， 設置燃料泵邊界條件。其中變量燃料泵配流角分別設置為α， α+2， α+4， α+6， α+8。

3　流體特性分析

3.1流量特性

PumpLinx具有高效的求解器， 計算速度通常比其他CFD軟件快5倍。在柱塞泵出口處和柱塞腔內(nèi)添加監(jiān)測點， 可監(jiān)測2處壓力波動情況。設置柱塞泵旋轉(zhuǎn)4圈， 不同配流角下的仿真結(jié)果如表1所示。

表1　不同配流角時的仿真流量Table 1　Simulated flow at different variable valve angles

根據(jù)式（1）， 當配流角為α時， 理論流量值為92.12 L/min， 與仿真結(jié)果基本吻合。式（1）無法計算不同配流角時的流量。通過CFD仿真則可獲得不同配流角時的流量， 可用于指導確定配流角的變化范圍。

配流角為α時柱塞泵流量曲線如圖4（a）所示，其頻譜如圖4（b）所示， 可知流量脈動的基頻為747.1 Hz。

圖4　燃料泵排量曲線及頻譜特性Fig. 4　Output curve of fuel pump and spectrogram

流量脈動頻率計算公式為

式中： n為轉(zhuǎn)速， r/min； Z為柱塞個數(shù)。

將泵轉(zhuǎn)速5 000 r/min， 柱塞數(shù)9代入式（2）可知fQ為750 Hz。顯然， 通過仿真信號獲得的脈動頻率和理論頻率很吻合。

瞬時流量的脈動率可定量評價流量脈動的大小， 且

式中： qshmax和qshmin分別表示瞬時流量的最大值和最小值。代入?yún)?shù)可得δq=17.5%， 可知柱塞泵流量脈動較為顯著。這些脈動將使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定， 當流量脈動與管路系統(tǒng)的固有頻率相接近時，則可能產(chǎn)生諧振， 這對系統(tǒng)構(gòu)件有極大的破壞性。

通常， 柱塞泵的柱塞數(shù)增大時， 其流量脈動率就會減小。在變量工況下， 奇數(shù)柱塞泵的流量脈動系數(shù)明顯優(yōu)于柱塞數(shù)接近的偶數(shù)柱塞泵。此外， 柱塞泵的流量脈動系數(shù)還與變轉(zhuǎn)速比、油液彈性模量等參數(shù)有關(guān)［6］。因此， 在設計液壓泵時，可采取必要的措施來抑制或吸收壓力脈動， 避免發(fā)生諧振。

3.2壓力特性

近年來， 燃料泵內(nèi)部壓力分布受到越來越多的重視。1D液壓仿真軟件只能獲得流體域個別位置的壓力， 而3D的CFD仿真可以獲得流體域任意位置的壓力。柱塞泵啟動時， 進口壓力低， 出口壓力逐漸增高， 變量泵啟動過程和穩(wěn)定狀態(tài)的壓力分布如圖5和圖6所示。可以看出， 啟動過程出口、配流盤、吸油柱塞腔的壓力都逐步增高，而在穩(wěn)定狀態(tài)， 吸油柱塞腔的壓力和入口一致，壓油柱塞腔的壓力與出口一致， 這符合泵的吸、壓油過程中的壓力分布規(guī)律。

圖5　啟動過程壓力分布Fig. 5　Pressure distribution during start process

通過CFD仿真， 在燃料泵出口和柱塞處設置監(jiān)測點， 可測得出口和柱塞腔的壓力波動情況。

圖6　穩(wěn)定狀態(tài)壓力分布Fig. 6　Pressure distribution in steady state

燃料泵出口處壓力波動曲線如圖7（a）所示?？梢钥闯?， 柱塞泵出口壓力會隨著柱塞泵的穩(wěn)定而趨于穩(wěn)定值， 但仍然存在壓力波動。為獲取壓力脈動頻率， 使用MATLAB對出口壓力波動曲線進行頻譜分析， 得到壓力頻譜如圖7（b）所示。

圖7　出口壓力曲線及幅頻特性Fig. 7　Outlet pressure curve and spectrogram

由圖可知， 燃料泵出口壓力脈動頻率為747.1 Hz， 與理論計算值相符。

柱塞腔壓力波動如圖8所示。可以看出， 柱塞腔壓力在低壓向高壓轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生壓力尖峰。柱塞腔壓力的高低壓過度是否平穩(wěn)， 是燃料泵十分重要但很難測量的參數(shù)， 仿真可彌補測試的不足， 為評估高低壓過渡是否平穩(wěn)及消除壓力尖峰提供理論指導。經(jīng)驗表明， 壓力尖峰的大小， 與配流盤的錯配角、斜盤傾角、出口容積均有關(guān)。獲取燃料泵壓力特性， 將為研究柱塞泵與燃燒系統(tǒng)耦合性奠定基礎。

3.3空化現(xiàn)象分析

圖8　柱塞腔壓力曲線Fig. 8　Pressure curve in piston cavity

缸孔在吸油過程中， 柱塞運動速度和吸油過流面積是變化的。在柱塞運動速度最大處和過流面積最小處， 缸孔內(nèi)的吸油壓力比別處都低， 容易發(fā)生氣蝕。氣蝕時產(chǎn)生的氣泡流動到高壓處時，其體積減小以致破滅。在氣泡凝結(jié)破裂的同時，液體質(zhì)點以很高的速度填充空穴， 在此瞬間產(chǎn)生很強烈的水擊作用， 并以很高的沖擊頻率打擊金屬表面， 激發(fā)出強烈的振動噪聲。

眾所周知， 隨著轉(zhuǎn)速增加， 空化現(xiàn)象會越加明顯。不斷提高柱塞泵的運行轉(zhuǎn)速， 選取空化模型并進行設置和計算， 當其轉(zhuǎn)速到達5 000 r/min時， 仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9　燃料泵空化現(xiàn)象Fig. 9　Cavitation of fuel pump

由圖可知， 在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min情況下， 燃料泵內(nèi)部流體的氣體體積分數(shù)較低， 流體內(nèi)部少有氣泡產(chǎn)生， 即基本無空化現(xiàn)象， 符合燃料泵的設計要求。

4　結(jié)束語

文中介紹了新型靜缸變配流式燃料泵的工作原理， 并對柱塞泵進行CFD建模與仿真， 得到了泵內(nèi)流體的流動特性和空化狀態(tài)。受試驗條件和測量儀器的限制， 燃燒泵的泄露、氣蝕以及柱塞腔壓力等難以通過試驗來測量和分析， 而這些問題的解決程度又直接制約柱塞泵性能的提高。通過仿真發(fā)現(xiàn)，變量泵不會產(chǎn)生空化現(xiàn)象， 但流量脈動較大、柱塞腔壓力在低壓向高壓過渡會產(chǎn)生壓力尖峰， 對泵及其連接管路的振動噪聲可能會產(chǎn)生不利影響。

需要說明的是， 文中的結(jié)論都是通過CFD仿真得到的， 后續(xù)尚需進一步試驗驗證。

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（責任編輯： 陳曦）

Flow Characteristics Simulation of Variable Fuel Pump Based on PumpLinx

WANG Kai1，2，SUN Tao1，SHI Xiao-feng1，YI Yin1，LI Yong-dong1，HUANG Yan-fen3
（1. The 705th Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Xi′an 710075， China； 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory， Xi′an 710075， China； 3. Beijing Hi-Key Technology Limited Company， Beijing 610041， China）

To reveal the flow characteristics of the variable fuel pump for a torpedo， this paper proposes a hydraulic simulation method of the static variable cylinder valve axial piston pump by using the rotary cylinder plunger pump template in the professional pump computational fluid dynamics（CFD） simulation software PumpLinx， and further simulates and analyzes the flow， pressure and cavitation of the pump. Simulation results show that this pump does not produce cavitation， but there exists obvious pulse offlux with unsmooth transition. This research may benefit the improvement and design of the fuel pump with variable valve angle.

torpedo； variable fuel pump； static cylinder

TJ630.32

A

1673-1948（2015）06-0444-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.06.010

2015-07-03；

2015-07-17.

王凱（1990-）， 男， 在讀碩士， 主要研究方向為能源動力推進技術(shù).