某型航空發動機滑油泵供油級最佳進口面積的確定研究

楊振軍，李文，張嶺

（新鄉航空工業（集團）有限公司103廠，河南 新鄉 453000）

1 前言

滑油系統是發動機必不可少的組成部分，滑油泵的性能直接影響著發動機滑油系統的性能。好的泵結構和適當的空氣含量將能夠大大提升滑油泵的供油能力、效率、抗氣蝕性能等。

目前，國內外研究泵抗氣蝕和泵的性能的文章較多，多數均是針對工作介質為水的葉片泵展開的研究。而針對工作介質為滑油的齒輪泵的研究則較少出現。王玉勤、丁澤文等人針對某型號的化工離心泵，選取葉輪進出口直徑、葉片進出口安放角、和葉片包角5個參數，通過PumpLinx進行數值計算確定出了最佳的一組方案，提高了泵的抗氣蝕性能。吳仁榮通過實驗證明了適當增大葉輪進口的液流過流面積將會減弱泵的氣蝕，過分增大葉輪進口面積將會在進口處生成旋渦和回流，不利于氣蝕性能的改善，而且會給泵的效率降造成不利影響。

張學超通過試驗研究發現采用適當加大葉輪進口直徑，延伸葉片進口邊，加大葉片的進口寬度，能夠提高泵的抗氣蝕性能，并且當設計參數選擇合適的時候，同時在保證氣蝕性能好的前提下可使泵獲得較高的效率值。蔣旭松、王者文等人通過數值模擬方法研究發現，適當增大喉部面積可以提高泵氣蝕性能。徐維暉、候曉等人通過數值模擬方法發現當進口壓力為81.06kPa和101.33kPa時，減小壁面粗糙度對改善齒輪泵性能有更顯著的效果。Singhal等人基于Rayleigh-Plesset 方程提出了Singhal空化模型。適合比較復雜的空化流計算，該模型已經被大量的實驗驗證，具可作為數值計算的理論依據。劉宜、趙希楓等人采用了對離心泵內全流道三維空化流動，采用Singhal等人發展的一種三維混合流體完整化的湍流模型，基于RNG的k-模型和SIMPLEC算法，進行了定常和非定常數值模擬，與實驗結果吻合較好。

本文基于Singhal 提出的全空化模型，對某型航空發動機滑油泵進行數值計算，在進出口壓力一定的情況下，分析泵的入口面積及滑油中空氣含量對泵抗氣蝕性能、效率、出口流量的影響。本文采用數值計算方法借鑒了相關研究滑油泵氣蝕的文獻所采用的計算方法，其可靠性已經過了實驗驗證。

2 計算模型和方法介紹

2.1 計算模型

本文研究對象為航空發動機某型滑油泵供油級齒輪泵，為內嚙合齒輪泵，圖1為滑油泵供油級兩齒輪嚙合。內外齒輪齒數分別為4和5。內齒輪和外齒輪的偏心距為4.5mm。

圖1 內外齒輪嚙合

通過提取獲得了齒輪泵供油級的流體域，具體結構如圖2。將流體域分為3部分，分別為進口段、出口段和轉子區域。進、出口直徑為36mm和18mm，內外嚙合齒輪間的流體域部分如圖2中白色齒輪形狀部分。供油級共有兩級齒輪對，共用一個進口和出口。

圖2 流體域

2.2 網格劃分

將網格劃分為三個部分，入口段和出口段流體域采用非結構網格自動生成，兩齒輪嚙合區域及轉子區域采用結構化網格進行劃分，三個部分流體域體網格數目之和約為70萬。其中，進、出口段為靜網格區域，轉子區域為動網格區域。整個流體域網格如圖3。

圖3 全流體域網格

2.3 計算方法及輸入條件

本文采用三維非定常計算方法對滑油泵供油級進行計算，基于全空化模型和標準的k-湍流模型，采用SIMPLES算法進行求解，來預測泵內氣蝕現象以及泵的性能。

壁面附近選用標準壁面函數，并給定泵的進口、出口壓力及轉速。通過改變泵的進口直徑來改變泵的進口面積及滑油中空氣含量，來研究兩個因素共同作用對泵抗氣蝕性能及效率和流量的影響。

其中數值計算不變的邊界參數為：進口壓力為0.08MPa，出口壓力0.6MPa，固定轉速6500rpm。

固定進口面積，改變含氣量；固定含氣量，改變進口面積（通過固定出口直徑，改變進、出口直徑比體現）。

計算采用的進口直徑大小有四組分別為Din/Dout=1.4、1.6、1.8、2.0。

滑油中空氣質量分數變化范圍為3×10-5～23.74×10-5，共5組，每組具體的空氣質量分數見結果與討論中的表2?；臀镄匀绫?。

表1 工質物性

當進出口時均質量流量在5%誤差內且基本保持不變時，認為數值計算已經收斂。圖4即為某工況下數值模擬的進出口時均質量流量和進出口凈流量和的收斂曲線。

圖4 進出口時均質量流量隨時間的變化

3 結果與討論

3.1 不同進口面積下滑油泵抗氣蝕性能對比分析

本文通過顯示與氣泡破滅有關的能量耗散值來表示潛在可能的氣蝕損傷。使用Damage Power（W）來判定氣蝕是否發生，以Damage Power的值為Gcr=5W來作為氣蝕發生的臨界值，即當Damage Power值G≥Gcr時，此處可能發生氣蝕；Damage Power值G＜Gcr，此處可能無氣蝕發生。將標尺最大值調為5W，圖5氣蝕云圖中紫色區域即為G≥Gcr的區域，即為數值模擬預測的潛在氣蝕位置。需要注意的是，氣蝕的臨界值5W僅僅是預測氣蝕可能發生的一個能量指標，也就是說，氣蝕云圖中紫色區域僅僅是可能發生氣蝕的位置，具體位置是否真的發生氣蝕還和金屬表面的材料強度及表面處理方式有關。

圖5 Din/Dout =1.4，6500rpm下氣蝕分布（轉子一圈內）

如圖5，為轉速6500rpm，入口壓力為0.08MPa，出口壓力為0.6MPa，滑油中空氣質量分數為10.5×10-5，泵的進、出口直徑比為1.4時，轉子旋轉一圈下，截取的不同角度下出現潛在氣蝕的位置。可以看出，可能發生的氣蝕位置出現在兩齒輪嚙合的流體域端面、內側及外側，其中流體域端面對應的固體壁面為用于隔開兩級齒輪的擋板壁面；流體域內、外側對應的是內齒輪的外側表面和外齒輪的內表面。對于齒輪來說，一般強度較高，表面且均會做強化處理，因此，在真實的情況下，可能流體域的端面處相較于流體域內側更有可能真實發生氣蝕現象。

圖5～8分別為進、出口壓力分別0.08MPa和0.6MPa，空氣質量分數為10.5×10-5，轉速6500rpm下，不同進出口直徑比的結構下的氣蝕云圖對比。隨著進口面積的減小，滑油進口流速增加，進口壓力降低，導致滑油自身蒸發量增大，空化現象加劇，從而導致氣蝕現象加劇。當進出口直徑比減小為1.6時，從圖6中可以看出，齒輪旋轉一圈，已經出現了多處大面積潛在氣蝕。當進出口直徑比進一步減小為1.4時，氣蝕現象更嚴重且分布區域更多。四種結構中進出口直徑比為2.0時，抗氣蝕性能最好。

圖6 Din/Dout=1.6，6500rpm下氣蝕分布（轉子一圈內）

圖7 Din/Dout=1.8，6500rpm下氣蝕分布（轉子一圈內）

圖8 Din/Dout=2.0，6500rpm下氣蝕分布（轉子一圈內）

3.2 不同進口面積、不同空氣含量下下滑油泵性能分析

計算的工況及出口流量結果見表2。

表2 工況表

3.2.1 不同結構下總效率隨空氣質量分數變化

關于效率的定義可參見文獻7。

從圖9可以看出，結構Din/Dout=2.0在含氣量3×10-5～23.74×10-5的范圍內，相比其他結構效率最高。而且隨著含氣量的增加，四種結構的效率整體都在下降。但是局部都有最高點。這是因為空氣含量的增加，會導致出口體積流量減小，軸功率也會稍有降低，總效率受出口體積流量和軸功率共同作用發生變化，因此出現了局部的極值點；當空氣含量進一步增加，出口體積流量大大減小，同時氣蝕現象加劇，導致總效率降低。

圖9 不同結構下，總效率與空氣質量分數的關系

對于結構Din/Dout=2.0，其在含氣量為10.5×10-5時，對應效率最高，后隨著含氣量進一步增大，效率降低；對于結構Din/Dout=1.8，其最佳的含氣量為3×10-5或10.5×10-5。結構Din/Dout=1.4和1.6最佳的含氣量5×10-5～10.5×10-5。

3.2.2 不同結構下出口流量隨空氣質量分數變化

由圖10可以看出，隨著空氣質量分數的增加，占據了油液流動的空間，因此四種結構下泵的出口體積流量整體上基本都在下降。在含氣量變化范圍內（3×10-5～23.74×10-5），同一含氣量下，隨著進出口面積比增大，出口流量隨之減小，當進出口面積比從Din/Dout=1.8進一步增長到Din/Dout=2.0時，對應的出口流量已基本不再增長，甚至稍有降低。因此，結構Din/Dout=1.8或者Din/Dout=2.0的泵出口流量最大。

圖10 不同結構下，油氣比與出口體積流量的關系

3.3 最佳進口面積確定

由3.1節我們得到進出口直徑比Din/Dout=2.0的泵抗氣蝕性能最好。

由3.2.1節可知四種結構，在不同的含氣量變化范圍內，結構Din/Dout=2.0效率最高，因此從效率角度出發，最佳結構仍為Din/Dout=2.0。

由3.2.2節可知四種結構，在不同的含氣量變化范圍內，結構Din/Dout=2.0和Din/Dout=1.8，因此，從供油能力角度出發，最佳結構仍為Din/Dout=2.0或者1.8。

綜合以上三點因素，可認為最佳的結構為直徑比為Din/Dout=2.0（最佳油氣比為10e-5）。此時，最佳滑油流速為0.713m/s。

4 結語

本文基于某型航空發動機滑油泵供油級結構和工況條件，研究了其進口面積和滑油中空氣含量的變化對滑油泵抗氣蝕性能、效率和出口流量的影響。最終獲得了最佳的滑油泵進口面積，并進一步確定出了滑油泵的最佳進口平均流速。具體可以得到以下結論。

（1）在滑油泵抽油能力一定的情況下，即進口、出口壓力、轉速、空氣含量一定時，滑油泵進口面積越小，抗氣蝕性能越差；四種結構中，進、出口直徑比為Din/Dout=2.0抗氣蝕性能最佳。

（2）滑油中空氣含量一定時，進口面積越大，效率越高；同一進口面積下，隨著空氣含量增加，泵的總效率整體在下降，但由于軸功率和出口流量的共同作用導致總效率變化存在局部最高值。四種結構中，進口、出口直徑比為Din/Dout=2.0效率最高。

（3）同一進口面積下，空氣含量越大，出口體積體積流量越小；同一空氣含量下，隨著進口面積的增加，出口流量隨之增加；但隨著進出口直徑比從1.8繼續增加到2.0時，出口流量基本已經不再增加，此時，進口面積再進一步增大對于提高泵的供油能力來說已經沒有意義。

（4）綜合抗氣蝕性能、效率和出口流量的對比，四種結構中，進出口直徑比為2.0的泵整體性能表現最佳，對應此時進口的最佳滑油流速為0.713m/s。