王會(huì)敏，李征乾，劉建芳

（1.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司103 廠，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710129）

1 前言

滑油泵內(nèi)由于流阻損失、滑油速度較大或液體溫度較高等原因?qū)е禄瓦_(dá)到飽和狀態(tài)甚至過熱狀態(tài)，使滑油自身汽化或者溶解于滑油中的氣體揮發(fā)出來，就是“空化”現(xiàn)象?？栈a(chǎn)生的氣泡流向高壓區(qū)域時(shí)，氣泡快速收縮直至破裂，周圍的滑油會(huì)快速向氣泡中心擠壓并碰撞，該沖擊力的瞬間可達(dá)到十幾兆帕甚至是幾百兆帕，并且頻率很高，不間斷地打擊在泵內(nèi)過流部件的金屬表面上，形成機(jī)械剝蝕。長時(shí)間金屬外表會(huì)呈現(xiàn)出麻點(diǎn)和海綿狀凹坑，其形狀無規(guī)則，這種現(xiàn)象被稱為“汽蝕”。汽蝕發(fā)生的同時(shí)滑油泵在工作伴有強(qiáng)烈振動(dòng)和噪聲發(fā)生，情況嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致滑油泵不能正常工作。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，深入研究滑油泵汽蝕原理是非常有必要的。

目前，國內(nèi)外對(duì)容積式泵汽蝕問題研究較多。尤其是關(guān)于葉片泵的汽蝕研究更多，對(duì)于工作介質(zhì)是滑油的齒輪泵的研究則較少。黃道見等人通過數(shù)值模擬分析了離心泵內(nèi)葉片上的靜壓分布，揭示了汽蝕兩相流的內(nèi)在特性。曹廣軍等人通過實(shí)驗(yàn)分析了離心泵輸送不同黏度流體時(shí)的性能，研究粘性及轉(zhuǎn)速對(duì)其性能的影響。Singhal 等人提出了Singhal 空化模型，考慮了表面張力和湍流脈動(dòng)壓力等對(duì)空化流動(dòng)的影響。

本文建立了基于兩相流的某型滑油泵數(shù)值計(jì)算模型，通過數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)滑油泵汽蝕現(xiàn)象；并針對(duì)此結(jié)構(gòu)研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵常見轉(zhuǎn)速對(duì)空化的影響規(guī)律以及轉(zhuǎn)速對(duì)泵性能參數(shù)的影響。

2 研究對(duì)象和計(jì)算方法

2.1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為航空發(fā)動(dòng)機(jī)某滑油泵供油級(jí)齒輪泵，為內(nèi)嚙合齒輪泵，內(nèi)齒輪齒數(shù)為4，外齒輪齒數(shù)為5，內(nèi)外齒之間有一定的偏心距。

齒輪泵供油級(jí)流體域如圖1 所示。將流體域分為3 部分，分別為進(jìn)口段、出口段和轉(zhuǎn)子區(qū)域，供油級(jí)齒輪泵共有兩級(jí)嚙合齒輪對(duì)，共用一個(gè)進(jìn)口和出口。

圖1 流體域

2.2 網(wǎng)格劃分及計(jì)算方法

入口和出口段流體域采用二叉樹網(wǎng)格畫法自動(dòng)生成，兩齒輪嚙合區(qū)域劃分成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總量約為50 萬，如圖2，其中動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)子區(qū)域。

圖2 全流體域網(wǎng)格

基于全空化模型、標(biāo)準(zhǔn)的k-湍流模型預(yù)測(cè)滑油泵汽蝕現(xiàn)象。兩齒輪內(nèi)嚙合流體域采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來處理計(jì)算域隨時(shí)間變化的問題。壁面附近選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，給定初始流體域的不凝結(jié)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為一常數(shù)。給定入口壓力和出口壓力、泵轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)參數(shù)。泵的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為5984±25r/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和對(duì)比

（1）數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)汽蝕結(jié)果對(duì)比

采用能量判據(jù)來判斷汽蝕是否發(fā)生，認(rèn)為當(dāng)此項(xiàng)值高于5×108W 時(shí)會(huì)發(fā)生汽蝕。

圖3 為齒輪嚙合區(qū)域汽蝕位置數(shù)值模擬結(jié)果，圖中紫色部分是汽蝕發(fā)生區(qū)域。圖4 為滑油泵實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，拆分發(fā)現(xiàn)的擋板位置汽蝕點(diǎn)，擋板應(yīng)倒扣在圖7 中間空白區(qū)域處。發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的汽蝕發(fā)生位置基本相同。

圖3 齒輪嚙合區(qū)域汽蝕位置數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 實(shí)驗(yàn)情況下汽蝕位置

（2）壓力分布計(jì)算結(jié)果分析

圖5 為壓力分布計(jì)算結(jié)果。齒輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，即左邊區(qū)域?yàn)槲投?，右邊區(qū)域?yàn)閴河投?，由于?nèi)齒和外齒輪有一定的偏心距，隨著齒輪的不斷分離和嚙合，導(dǎo)致在吸油段，油液壓力降低，在壓油段油液壓力升高。由圖可以看出，高壓區(qū)域位置在紅色位置，即壓油段的第一個(gè)封閉的大容腔，隨著齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致此處容積急劇減小，油液無法及時(shí)排出，造成局部壓力過大，高壓區(qū)域的位置基本和汽蝕位置保持一致，即在高壓區(qū)域氣泡被擠破，發(fā)生汽蝕。

圖5 壓力分布

3.2 不同轉(zhuǎn)速下滑油泵性能分析

（1）不同轉(zhuǎn)速下空化分布對(duì)比

由于內(nèi)齒輪的與外齒輪的不斷分離與嚙合，吸油區(qū)域封閉面積不斷增大，壓油區(qū)域的封閉面積不斷減小，導(dǎo)致在吸油段即圖中左邊部分壓力降低，壓油段壓力升高，當(dāng)壓力低到小于當(dāng)?shù)販囟葘?duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓時(shí)，滑油發(fā)生蒸發(fā)，即此時(shí)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。從圖6 中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速增大，導(dǎo)致齒輪泵吸油段壓力更低，即圖中齒輪嚙合區(qū)的左半部分，滑油自身的蒸發(fā)也越來越嚴(yán)重。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下空化分布

（2）不同轉(zhuǎn)速下滑油泵性能對(duì)比

總效率：

式中，qv為出口質(zhì)量流量和體積流量；分別為進(jìn)出口總壓；pin為泵的軸功率。

由圖7 可以看出，航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵在5000～6500rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增大，由于空化程度加劇，由于泵內(nèi)氣體增多，造成泵內(nèi)紊流現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致泵的軸功率大大提高，總效率呈線性降低，如圖7。

圖7 轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪泵供油級(jí)效率的影響

4 結(jié)論

本文通過對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)某型滑油齒輪泵供油級(jí)性能的數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論：

（1）建立了基于兩相流的某型滑油泵數(shù)值計(jì)算模型，預(yù)測(cè)了滑油泵供油級(jí)汽蝕發(fā)生的位置，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好；

（2）泵內(nèi)發(fā)生空化的位置常常和汽蝕的位置不同?？栈０l(fā)生在泵內(nèi)的低壓區(qū)域，汽蝕主要發(fā)生在泵的壓油腔區(qū)域或者內(nèi)外齒輪嚙合處；

（3）滑油泵在5000～6500rpm 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增大，泵內(nèi)空化現(xiàn)象加劇，空化現(xiàn)象的加劇大大增強(qiáng)泵內(nèi)的紊流程度，造成軸功率基本呈線性增大，總效率呈線性減小。