某型航空發動機滑油泵供油級汽蝕的數值研究

王會敏，李征乾，劉建芳

（1.新鄉航空工業（集團）有限公司103 廠，河南 新鄉 453000；2.西北工業大學動力與能源學院，陜西 西安 710129）

1 前言

滑油泵內由于流阻損失、滑油速度較大或液體溫度較高等原因導致滑油達到飽和狀態甚至過熱狀態，使滑油自身汽化或者溶解于滑油中的氣體揮發出來，就是“空化”現象。空化產生的氣泡流向高壓區域時，氣泡快速收縮直至破裂，周圍的滑油會快速向氣泡中心擠壓并碰撞，該沖擊力的瞬間可達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過流部件的金屬表面上，形成機械剝蝕。長時間金屬外表會呈現出麻點和海綿狀凹坑，其形狀無規則，這種現象被稱為“汽蝕”。汽蝕發生的同時滑油泵在工作伴有強烈振動和噪聲發生，情況嚴重時，將導致滑油泵不能正常工作。因此，在發動機滑油系統設計中，深入研究滑油泵汽蝕原理是非常有必要的。

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

本文建立了基于兩相流的某型滑油泵數值計算模型，通過數值模擬方法預測滑油泵汽蝕現象；并針對此結構研究了航空發動機滑油泵常見轉速對空化的影響規律以及轉速對泵性能參數的影響。

2 研究對象和計算方法

2.1 研究對象

本文研究對象為航空發動機某滑油泵供油級齒輪泵，為內嚙合齒輪泵，內齒輪齒數為4，外齒輪齒數為5，內外齒之間有一定的偏心距。

齒輪泵供油級流體域如圖1 所示。將流體域分為3 部分，分別為進口段、出口段和轉子區域，供油級齒輪泵共有兩級嚙合齒輪對，共用一個進口和出口。

圖1 流體域

2.2 網格劃分及計算方法

入口和出口段流體域采用二叉樹網格畫法自動生成，兩齒輪嚙合區域劃分成結構化網格，網格總量約為50 萬，如圖2，其中動網格區域為轉子區域。

圖2 全流體域網格

基于全空化模型、標準的k-湍流模型預測滑油泵汽蝕現象。兩齒輪內嚙合流體域采用動網格技術來處理計算域隨時間變化的問題。壁面附近選用標準壁面函數，給定初始流體域的不凝結氣體質量分數為一常數。給定入口壓力和出口壓力、泵轉速和結構參數。泵的實驗轉速為5984±25r/min。

3 結果與討論

3.1 數值計算與實驗結果分析和對比

（1）數值計算與實驗汽蝕結果對比

采用能量判據來判斷汽蝕是否發生，認為當此項值高于5×108W 時會發生汽蝕。

圖3 為齒輪嚙合區域汽蝕位置數值模擬結果，圖中紫色部分是汽蝕發生區域。圖4 為滑油泵實驗結束后，拆分發現的擋板位置汽蝕點，擋板應倒扣在圖7 中間空白區域處。發現模擬結果與實驗的汽蝕發生位置基本相同。

圖3 齒輪嚙合區域汽蝕位置數值模擬結果

圖4 實驗情況下汽蝕位置

（2）壓力分布計算結果分析

圖5 為壓力分布計算結果。齒輪旋轉方向為逆時針旋轉，即左邊區域為吸油段，右邊區域為壓油段，由于內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，高壓區域位置在紅色位置，即壓油段的第一個封閉的大容腔，隨著齒輪逆時針旋轉，導致此處容積急劇減小，油液無法及時排出，造成局部壓力過大，高壓區域的位置基本和汽蝕位置保持一致，即在高壓區域氣泡被擠破，發生汽蝕。

圖5 壓力分布

3.2 不同轉速下滑油泵性能分析

（1）不同轉速下空化分布對比

由于內齒輪的與外齒輪的不斷分離與嚙合，吸油區域封閉面積不斷增大，壓油區域的封閉面積不斷減小，導致在吸油段即圖中左邊部分壓力降低，壓油段壓力升高，當壓力低到小于當地溫度對應的飽和蒸氣壓時，滑油發生蒸發，即此時產生空化現象。從圖6 中可以看出，隨著轉速增大，導致齒輪泵吸油段壓力更低，即圖中齒輪嚙合區的左半部分，滑油自身的蒸發也越來越嚴重。

圖6 不同轉速下空化分布

（2）不同轉速下滑油泵性能對比

總效率：

式中，qv為出口質量流量和體積流量；分別為進出口總壓；pin為泵的軸功率。

由圖7 可以看出，航空發動機滑油泵在5000～6500rpm轉速范圍內，隨著轉速增大，由于空化程度加劇，由于泵內氣體增多，造成泵內紊流現象嚴重，導致泵的軸功率大大提高，總效率呈線性降低，如圖7。

圖7 轉速對齒輪泵供油級效率的影響

4 結論

本文通過對航空發動機某型滑油齒輪泵供油級性能的數值模擬研究，得到以下結論：

（1）建立了基于兩相流的某型滑油泵數值計算模型，預測了滑油泵供油級汽蝕發生的位置，與實驗結果吻合較好；

（2）泵內發生空化的位置常常和汽蝕的位置不同。空化常發生在泵內的低壓區域，汽蝕主要發生在泵的壓油腔區域或者內外齒輪嚙合處；

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