基于AMESim的燃料泵吸液特性仿真研究

章華益, 彭 博, 楊赪石, 張孝毅, 楊玉靖

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基于AMESim的燃料泵吸液特性仿真研究

章華益1, 2, 彭 博1, 楊赪石1, 張孝毅1, 楊玉靖3

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西西安, 710077; 3. 山西平陽重工機械有限責任公司, 山西侯馬, 043003)

為了研究燃料泵的吸液特性, 使用AMESim軟件建立了燃料泵仿真模型, 以水下航行器的燃料泵為例進行仿真, 仿真結果與試驗結果基本吻合。在此基礎上, 進一步分析了進口壓力和轉速對燃料泵進口流量的影響, 以柱塞腔內無空氣析出為目標函數, 使用遺傳算法求得進口壓力和轉速的臨界關系。仿真結果表明, 在泵軸轉角270°附近, 此時柱塞處于吸液中間階段, 柱塞腔內壓力會達到最低值; 當進口壓力過低或轉速過高時, 柱塞腔的最低壓力會低于空氣分離壓, 燃料析出空氣產生氣穴現象, 使得進口流量明顯低于理論值。

水下航行器; 燃料泵; 吸液特性; 遺傳算法; 氣穴現象

0 引言

燃料泵是水下航行器的關鍵部件, 其作用是將燃料增壓和調節后以一定的壓力和流量輸送到燃燒室, 控制燃燒室的壓力和流量, 進而控制發動機的功率和轉速, 使航行器達到預定的航速[1]。

燃料泵是一種柱塞式液壓泵, 依靠柱塞在柱塞腔內往返運動改變柱塞腔的容積來實現吸液和排液。一般燃料中會懸浮和溶解一定體積的空氣, 在一定的條件下, 當柱塞腔的壓力降至燃料的空氣分離壓時, 燃料會析出空氣從而產生氣穴現象。氣穴現象除了增加噪聲和沖擊外, 還會影響燃料泵的進口流量。文獻[2]針對柱塞泵虛擬樣機液固耦合的特點, 使用AMESim軟件建立了機構和流體模型, 分析了柱塞泵內部流體特性; 文獻[3]建立了柱塞泵流動特性的分布參數式數學模型, 分析了工作參數對流量脈動的影響; 文獻[4]建立了柱塞泵工作腔吸油模型, 分析了柱塞泵吸油時工作腔內的氣穴現象。

目前, 國內針對柱塞泵的振動和流量脈動有較多的研究, 但是對于柱塞泵的吸液特性尚未展開深入研究, 尤其是缺乏針對氣穴現象對柱塞泵流量影響的研究。為此, 文中使用AMESim軟件建立燃料泵仿真模型, 分析了進口壓力和轉速對燃料泵進口流量的影響, 并利用遺傳算法求得在無空氣析出時進口壓力和轉速的臨界關系曲線。

1 燃料泵工作原理

燃料泵的缸體固定不動, 泵軸通過花鍵帶動斜盤旋轉, 斜盤推動柱塞來回伸縮, 柱塞腔的容積相應的變大或變小; 泵軸通過偏心小軸帶動配流環旋轉, 配流環與閥體配流表面形成封閉容腔, 接觸表面內部為吸液區, 外部容腔為排液區。柱塞處于配流環的吸液區時, 柱塞腔的容積變大吸液; 柱塞處于配流環的排液區時, 柱塞腔的容積變小而排液。當泵軸持續旋轉時, 燃料泵可連續不斷地進行吸液和排液, 燃料泵的結構如圖1所示。

燃料泵內存在3種形式的氣體: 自由氣體、懸浮氣體和溶解氣體。自由氣體不與燃料接觸, 存在于燃料泵的盲腔內; 懸浮氣體以微小氣泡形式存在, 燃料的體積彈性模量和密度隨懸浮氣體增多而減小; 溶解氣體均勻分布在燃料中, 對燃料的體積彈性模量和密度不產生影響, 溶解氣體的含量與絕對壓力成正比, 與溫度成反比[5]。

燃料泵的柱塞腔在吸液時, 由于流量較大或供液不足等原因使得燃料壓力下降, 燃料中處于溶解狀態的氣體會達到飽和狀態, 析出形成游離態的微小氣泡, 其析出速率較低; 當燃料壓力低于空氣分離壓力時, 溶解的氣體將以很高的速率析出形成懸浮氣體; 當壓力繼續降低時, 這些懸浮的微小氣泡體積將會繼續膨大并互相聚合, 進而凝聚形成氣穴, 產生氣穴現象。

2 仿真模型

2.1 單柱塞模型

單柱塞模型包含描述柱塞運動模塊和控制流量分配的配流模塊, 利用AMESim建立單柱塞仿真模型, 可將其分為以上2種模塊, 見圖2。

運動模塊根據機構運動學關系獲得柱塞的實際速度, 可采用如下公式[6]

配流模塊分為吸液區和排液區, 吸液區包含了等效吸液窗, 吸液窗的水力直徑則由其實際水力直徑的數據文件導入, 排液窗同理。

2.2 燃料泵模型

燃料泵為五柱塞結構, 5個柱塞在缸體上均勻分布并同時工作, 它們的流量匯合疊加后可得到比較均勻的總流量。利用封裝技術, 將單柱塞模型封裝成子模塊, 可得如圖3所示的燃料泵仿真模型。

2.3 試驗驗證

將燃料泵安裝到泵臺上進行試驗, 獲得某一時刻燃料泵出口流量的數據, 并與仿真數據比較, 歸一化結果如圖4所示。從圖中可以看出, 仿真流量的穩定值和試驗數據基本吻合, 表明建立的仿真模型準確, 可使用其對燃料泵展開分析。

3 仿真計算與分析

3.1 參數對進口流量的影響

柱塞腔通過配流環與燃料泵進口連通進行吸液時, 會產生節流作用, 柱塞腔內的壓力變化情況比較劇烈, 除了考慮泵軸轉速, 還需考慮密度變化對節流流量的影響, 流量公式為

可以看出, 過流面積、燃料密度以及進出壓力都會影響節流流量。

在此, 利用仿真模型對燃料泵在不同進口壓力下的進口流量特性進行計算, 歸一化結果如圖5所示。圖中負值代表進口流量, 可以看出, 進口流量隨著進口壓力的提高而增大, 最終趨向于理論值。這是由于當進口壓力過低, 柱塞腔處于吸液過程時, 柱塞腔壓力低于空氣分離壓, 燃料開始析出空氣, 從而產生氣穴現象, 使進口流量明顯偏離理論值。

3.2 進口壓力對氣穴現象的影響

當泵軸轉速一定時, 不同進口壓力下柱塞腔內壓力隨泵軸轉角的變化情況如圖6所示。從圖中可以看出, 進口壓力對柱塞腔的壓力有較大的影響, 進口壓力越高, 柱塞腔的壓力分布越趨向于270°對稱, 壓力分布越趨向于正弦分布, 且柱塞腔內的最低壓力隨進口壓力的提高而增大。

圖7為柱塞腔內空氣析出比隨泵軸轉角的變化曲線。隨著進口壓力的增大, 空氣析出比的幅度不斷減低, 可見進口壓力越高, 柱塞腔的氣穴現象越不明顯。空氣析出比的峰值隨著進口壓力的提高而降低, 進口壓力越高, 峰值對應的轉角越趨向于270°。

3.3 轉速對氣穴現象的影響

不同轉速時柱塞腔內壓力隨泵軸轉角的變化曲線如圖8所示, 其中代表額定轉速。當泵軸轉速為時, 柱塞腔最低壓力高于燃料的空氣分離壓, 柱塞腔壓力隨轉角先減小后增大, 在轉角270°時柱塞運動速度最快, 此時腔內壓力達到最低值。當泵軸轉速大于1.2時, 柱塞腔的最低壓力在轉角231°之前已降至燃料的空氣分離壓力以下, 腔內開始析出空氣, 并且隨著轉速的提高, 該角度將不斷提前。

圖9為柱塞工作腔內空氣析出比隨泵軸轉角變化曲線。在泵軸轉角超過270°之后(300°, 352°, 355°), 工作腔內壓力降至最低, 空氣析出比達到峰值, 之后腔內的壓力逐漸升高, 析出的氣體重新溶解到燃料中, 空氣析出比逐漸減小; 當腔內的壓力升高到一定值時, 析出的氣體將完全溶解到燃料中, 空氣析出比為零, 之后腔內的壓力將迅速回升。當有空氣析出時, 空氣析出比的曲線將不再沿泵軸轉角270°對稱, 曲線將向后移動, 隨著轉速的提高, 移動幅度越大。

4 燃料泵參數優化

由仿真結果可以看出, 不改變燃料泵結構情況時, 燃料泵的進口壓力和泵軸的轉速對柱塞腔的氣穴現象有一定的影響, 進而影響吸液特性, 因此有必要研究在無空氣析出的情況下, 進口壓力與泵軸轉速的關系。

遺傳算法是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和孟德爾遺傳學機理的生物進化過程的計算模型, 是一種通過模擬自然進化過程搜索最優值的方法。文中采用MATLAB和AMESim聯合仿真技術, 其中MATLAB負責控制遺傳算法求解過程, AMESim負責處理燃料泵仿真過程, 求解過程如圖10所示。

為避免柱塞腔內析出氣體, 應保證柱塞腔內的最低壓力恰好等于空氣分離壓力, 且空氣析出比為零。燃料的空氣析出比定義為

因此, 遺傳函數的目標函數可定義為

利用遺傳算法, 可得轉速從0.8~2.4時進口壓力的極限值, 結果如圖11所示。從圖中可以看出, 進口壓力隨轉速大致呈線性分布, 隨著轉速的不斷提高, 進口壓力需要不斷增加才能保證工作腔內無析出空氣。圖12為各種算例下燃料泵吸液時柱塞腔內壓力隨泵軸轉角變化曲線, 可以看出, 各曲線按270°對稱, 呈現正弦分布, 最低壓力穩定在空氣分離壓力附近, 可見遺傳算法得出的結果符合實際情況。

5 結束語

通過AMESim軟件建立了燃料泵的仿真模型, 分析了進口壓力和轉速對燃料泵吸液特性的影響。當泵軸轉角達到270°, 即柱塞處于吸液中間階段時, 柱塞腔內的壓力容易達到最低值, 當壓力低于空氣分離壓時會析出氣體, 形成氣穴現象, 導致燃料泵的進口流量低于理論值。通過遺傳算法準確的得到進口壓力和轉速的臨界關系, 依據此關系, 可以在不同泵軸轉速時選擇合理的進口壓力, 從而避免柱塞腔在吸液過程中產生氣穴現象。

[1] 查志武, 史小鋒, 錢志博. 魚雷熱動力技術[M]. 北京:國防工業出版社, 2006.

[2] 冀宏, 王洋. 軸向柱塞泵工作腔吸油氣穴數值解析[J]. 蘭州理工大學學報, 2013, 39(3): 34-37. Ji Hong, Wang Yang. NumericalAnalysisofOilsu- ctionCavitationinCylinder ChamberofAxialPistonPump[J]. Journal of Lanzhou University of Tech- nology, 2013, 39(3): 34-37.

[3] 張斌. 軸向柱塞泵的虛擬樣機及油膜壓力特性研究[D].浙江: 浙江大學, 2009.

[4] 馬吉恩. 軸向柱塞泵流量脈動及配料盤優化設計研究[D]. 浙江: 浙江大學, 2009.

[5] 王海燕. 軸向柱塞泵氣蝕機理及仿真研究[D]. 山西: 中北大學, 2014.

[6] 李壯云. 液壓元件與系統[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011.

Simulation of Fuel Suction Characteristics of Fuel Pump Based on AMESim

ZHANG Hua-yi1,2, PENG Bo1, YANG Cheng-shi1, ZHANG Xiao-yi1, YANG Yu-jing3

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2.Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China; 3.Shanxi Pingyang Machinery Factory, Houma 043003, China)

In order to study fuel suction characteristics of a fuel pump, a simulation model of a fuel pump is established by the software AMESim. Taking a fuel pump of an underwater vehicle for example to conduct simulation, the results accord with the experimental data. Based on the simulation results, the influences of inlet pressure and rotational speed on inlet flow rate are analyzed, and the critical relation between inlet pressure and rotational speed is achieved with genetic algorithm taking no air release in the piston chamber as an objective function. Simulation results show that the pressure in cylinder chamber approaches the minimum at about 270° of rotational angle, where the piston is in medium of fuel suction process; and if the inlet pressure is lower or rotational speed is higher than their critical values, the minimum pressure in piston chamber gets lower than the separation pressure of air, as a result, fuel releases air to generate cavitation, hence the inlet flow rate becomes significantly lower than the theoretical value.

underwater vehicle; fuel pump; fuel suction characteristics; genetic algorithm; cavitation

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.01.010

TJ630.32

A

1673-1948(2016)01-0048-05

2015-12-10;

2015-12-29.

章華益(1991-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為能源動力推進技術.

(責任編輯: 陳 曦)