郝小龍， 趙經(jīng)明， 張明根， 唐慧慧， 解俊良

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所航天伺服驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100076)

引言

切線泵由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，被廣泛應(yīng)用于有高揚(yáng)程小流量性能輸出的場(chǎng)合，關(guān)于切線泵的設(shè)計(jì)，其中最主要的參數(shù)是如何選擇揚(yáng)程系數(shù)與流量系數(shù)，在大多數(shù)設(shè)計(jì)方面的文獻(xiàn)介紹中，揚(yáng)程系數(shù)和流量系數(shù)都給于了較大的一個(gè)取值范圍，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，揚(yáng)程系數(shù)選擇是否合適，不僅影響切線泵葉輪結(jié)構(gòu)的尺寸，還與切線泵工作轉(zhuǎn)速及工作過(guò)程中摩擦損失、發(fā)熱特性密切相關(guān)。從目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)[1-5]來(lái)看，對(duì)于超高速切線泵的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)非常少，部分文獻(xiàn)對(duì)混輸泵、燃油泵及半開式葉輪的揚(yáng)程系數(shù)，壓力流量特性，及葉頂間隙對(duì)泵內(nèi)流特性等方面進(jìn)行了研究[6-9]，還有部分文獻(xiàn)針對(duì)泵葉片數(shù)量對(duì)揚(yáng)程系數(shù)及效率的影響也進(jìn)行了數(shù)值模擬[10]，均具有一定的參考意義。在航天伺服領(lǐng)域，泵結(jié)構(gòu)形式主要為超高速切線泵[11-12]?；跒楹罄m(xù)設(shè)計(jì)超高速切線泵提供可靠有效的數(shù)據(jù)，本研究將針對(duì)超高速切線泵的揚(yáng)程系數(shù)及發(fā)熱特性開展試驗(yàn)研究。

1 超高速切線泵

切線泵工作原理：切線泵高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，通過(guò)葉片夾持的液體將保持與切線泵同步高速旋轉(zhuǎn)，在切線泵最外圈環(huán)形腔通道中，高速旋轉(zhuǎn)的液體通過(guò)切向噴射口喉部輸送出去。液體在葉輪間高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中同時(shí)獲得靜壓能和動(dòng)能，通過(guò)噴射口后擴(kuò)散段液體動(dòng)能再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為液壓能。因此切線泵輸出的最高揚(yáng)程實(shí)際上是由液體在環(huán)形腔中最終獲得的線速度所決定，由于液體隨切線泵葉輪同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片間液體不僅存在的較大的軸向漩渦，同時(shí)液體與泵工作腔壁之間還存在的較大的撞擊與摩擦損失，因此導(dǎo)致液體最終獲得的速度與泵葉輪最外徑切線速度存在一定的差距，最終計(jì)算泵輸出揚(yáng)程時(shí)通常使用揚(yáng)程系數(shù)進(jìn)行折算。

切線泵設(shè)計(jì)中，通常泵腔噴射口直徑按泵葉輪出口寬度取值，由于切線泵輸出性能對(duì)軸向間隙不敏感，泵葉輪與泵腔的前后端面軸向間隙可在0.5～1.0 mm間選取。 所研究的切線泵結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1， 結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

表1 泵葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of pumps

圖1 超高速切線泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of ultra-high speed tangent pump

2 試驗(yàn)方法

為使切線泵進(jìn)行超高速運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)中選用軸流沖擊式渦輪作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，沖擊式渦輪輸出扭矩與轉(zhuǎn)速具有較好的線性關(guān)系[13]，便于后續(xù)輸入功率折算，所研究切線泵葉輪通過(guò)螺紋旋緊在渦輪軸系上，軸系組件主要包括渦輪轉(zhuǎn)子、機(jī)械密封動(dòng)環(huán)、軸套、切線泵葉輪、墊片及滾動(dòng)軸承，軸系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.泵葉輪 2.軸流渦輪轉(zhuǎn)子 3.滾動(dòng)軸承 4.機(jī)械密封動(dòng)環(huán)圖2 渦輪泵軸系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of turbopump rotor system

試驗(yàn)原理如圖3所示，將高壓氦氣源通過(guò)管路連接至拉法爾噴管，高壓氣源通過(guò)噴管膨脹加速后驅(qū)動(dòng)渦輪軸系組件超高速運(yùn)轉(zhuǎn)。切線泵從自增壓油源組件中抽吸油液并增壓后送至電液伺服閥，通過(guò)伺服閥調(diào)節(jié)流量后驅(qū)動(dòng)液壓缸從而形成回路。

1.高壓氣源 2.手動(dòng)截止閥 3.供氣壓力調(diào)節(jié)閥 4.電磁開關(guān)5.超音速噴管 6.渦輪泵 7.伺服控制閥 8.液壓缸9.增壓油源組件 10.工控機(jī) 11.壓力表 12.溫度傳感器13.進(jìn)氣壓力傳感器 14.高壓傳感器 15.流量計(jì)16.低壓傳感器 17.轉(zhuǎn)速計(jì) 18.氣源回收罐圖3 氣吹試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of air blowing test system

試驗(yàn)系統(tǒng)中分別設(shè)置了高壓氣源壓力、高壓氣源溫度、低壓排氣壓力、切線泵入口流量、入口壓力、切線泵出口壓力等監(jiān)測(cè)傳感器及渦輪軸系組件轉(zhuǎn)速傳感器等。上述測(cè)量參數(shù)通過(guò)工控機(jī)實(shí)時(shí)記錄，試驗(yàn)的啟停通過(guò)工控機(jī)遠(yuǎn)程控制。試驗(yàn)選用高壓氦氣為渦輪工質(zhì)，15#航空液壓油為切線泵工質(zhì)，氦氣與液壓油參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 介質(zhì)參數(shù)Tab.2 Media parameters

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析總結(jié)

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

共對(duì)切線泵進(jìn)行了4種工況條件的運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，如表3所示，前3種工況針對(duì)切線泵在不同轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程系數(shù)及摩擦損失的試驗(yàn)研究，第4種工況針對(duì)切線泵超高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)零流量輸出溫升特性試驗(yàn)研究。

表3 試驗(yàn)工況表Tab.3 Summary of tests

試驗(yàn)過(guò)程中切線泵輸出流量通過(guò)伺服閥驅(qū)動(dòng)液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。不同工況條件下的測(cè)試結(jié)果曲線見(jiàn)圖4～圖7。

圖4 5.5 MPa氦吹試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.4 Results of 5.5 MPa helium blowing test

圖5 6.5 MPa氦吹試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.5 Results of 6.5 MPa helium blowing test

圖6 泵7.5 MPa氦吹試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.6 Results of 7.5 MPa helium blowing test

圖7 7.5 MPa氦吹溫度試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Temperature results of 7.5 MPa helium blowing test

3.2 結(jié)果分析

1) 摩擦功耗及揚(yáng)程系數(shù)

根據(jù)氦氣工質(zhì)類型(絕熱指數(shù)k=1.667)及噴管喉徑、進(jìn)氣總壓、總溫、排氣背壓實(shí)測(cè)值，按照等熵膨脹功理論可以分析出氣體轉(zhuǎn)化的機(jī)械功率，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)中所用軸流式渦輪的速比效率特性關(guān)系[14]，分析得出渦輪盤輸出軸功率W1?？紤]軸承及機(jī)械密封摩擦損失后即為泵軸輸入功率W2，按如下式(1)計(jì)算：

W2=W1-ωT1

(1)

式中,T1—— 軸承與機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩，實(shí)測(cè)值為0.20 N·m

ω—— 泵軸角速度，ω=n·2π/60，其中n為泵軸轉(zhuǎn)速

泵輸出的液壓功率W3按如下式(2)計(jì)算：

W3=p·Q/60

(2)

式中，p—— 泵增壓壓力差，p=pd-ps，其中pd為泵出口壓力，ps為泵出口壓力

Q—— 泵輸出流量

泵工作效率η按如下式(3)計(jì)算：

η=W3/W2

(3)

泵功耗損失W按如下式(4)計(jì)算：

W=W2-W3

(4)

泵揚(yáng)程系數(shù)ψ按如下(5)計(jì)算：

ψ=p/(ρ·v2)

(5)

式中，ρ—— 泵工作介質(zhì)的密度，15#航空液壓油密度為839.3 kg/m3

v—— 泵葉輪外徑線速度,v=ω·(d2/2000)

泵流量系數(shù)φ按下式(6)計(jì)算：

(6)

式中，A為切線泵喉部面積。

對(duì)圖4～圖7曲線中氦氣壓力、輸出流量、泵進(jìn)出口壓力及泵軸轉(zhuǎn)速取值，并按式(1)～式(6)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表4所示。

表4 切線泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Tab.4 Test data analysis of tangent pump

將前3種工況下分析得出的摩擦功耗結(jié)果數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，可以看出功耗隨轉(zhuǎn)速增加近似為直線關(guān)系，利用線性擬合方法對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，置信度取0.95，起點(diǎn)為(52.8，26.2)，結(jié)束點(diǎn)(75.2，59.5)，結(jié)果如圖8所示。切線泵工作過(guò)程中摩擦功耗主要體現(xiàn)在輪盤攪油摩擦損失上，計(jì)算摩擦功耗隨轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)斜率K：

圖8 摩擦功耗隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.8 Variation of friction power loss with speed

(7)

對(duì)前3種工況條件下?lián)P程系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：5.5 MPa氦氣壓力試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速為52.8×103r/min和53.2×103r/min時(shí)揚(yáng)程系數(shù)偏低，分析認(rèn)為：此時(shí)泵輸出流量較大，流量系數(shù)為0.82～0.90，接近切斷流量。后續(xù)分析剔除此兩點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，置信度選0.95，擬合起始點(diǎn)(55.1，0.70)，結(jié)束點(diǎn)(75.2，0.66)，分析結(jié)果如圖9。切線泵轉(zhuǎn)速由55.1×103r/min上升至80.8×103r/min時(shí)，揚(yáng)程系數(shù)由0.70緩慢下降至0.66。

圖9 揚(yáng)程系數(shù)隨工作轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.9 Relationship between head coefficient and working speed

2) 溫升特性

從表4試驗(yàn)結(jié)果得知，切線泵在超高速小流量下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，泵軸輸入功率主要用于攪油摩擦損失。試驗(yàn)系統(tǒng)中的15#航空液壓油容量約為8 L，初始時(shí)刻油溫為32 ℃，試驗(yàn)過(guò)程中切線泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在80.8×103r/min，輸出流量為0.5 L/min，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)101.6 s后停機(jī)，油溫從32 ℃直線升至274.5 ℃，見(jiàn)圖7a，溫升速率達(dá)到2.38 ℃/s。

按泵軸輸入功率為70.15 kW計(jì)算，101.6 s中消耗總功為7127240 J，油液溫升吸收的熱量按式(8)計(jì)算：

N=ΔT×m×λ

(8)

式中,N—— 油液吸收熱量

m—— 油液總質(zhì)量，6.71 kg

ΔT—— 試驗(yàn)中油溫升，242.5 K

λ—— 15#油熱容，2093 J/kg·K

油溫升高242.5 K時(shí)吸收總熱量為N=3405677.3 J。油吸收的熱量約占全部的熱量：

(9)

4 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

(1) 外徑42 mm，葉片數(shù)為8的切線泵在轉(zhuǎn)速?gòu)?2.8×103r/min升至75.2×103r/min時(shí)，功耗損失最低為28.86 kW，最高為63 kW，泵葉輪攪油摩擦所產(chǎn)生的功率損失隨轉(zhuǎn)速每增加1000 r/min增長(zhǎng)1.486 kW；

(2) 在轉(zhuǎn)速?gòu)?5.1×103r/min升至80.8×103r/min 時(shí)，平均揚(yáng)程系數(shù)由0.70緩降至0.66，分析認(rèn)為，泵轉(zhuǎn)速升高，摩擦功耗增加，泵內(nèi)泄增大，揚(yáng)程系數(shù)降低；

(3) 切線泵在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)小流量輸出時(shí)，泵軸輸入功率全部用于液壓油摩擦發(fā)熱，油液平均溫升速率可達(dá)2.38 ℃/s，油液溫升吸收熱量占全部功耗損失的48%。

上述試驗(yàn)研究提供了一種切線泵特性測(cè)試方法，可作為切線泵及渦輪泵設(shè)計(jì)和分析的依據(jù)。