齿轮泵进口流道设计对汽蚀性能的影响

何渊博，梁银川，张小卫

(1.西安航空动力控制科技有限公司，陕西西安710077；2.西安航空动力控制科技有限公司军代表室，陕西西安710077)

齿轮泵进口流道设计对汽蚀性能的影响

何渊博1，梁银川2，张小卫1

(1.西安航空动力控制科技有限公司，陕西西安710077；2.西安航空动力控制科技有限公司军代表室，陕西西安710077)

为解决某型齿轮泵在初样设计中出现的严重汽蚀问题，对齿轮泵汽蚀机理进行分析，并用排除法找出了汽蚀原因。以进口流道改进设计为突破口，结合流体仿真软件，通过齿轮泵内流域空化程度和流量波动的仿真分析，对进口流道进行设计优化，以此开展减轻齿轮泵附着汽蚀的研究。提出在齿轮泵设计时，应充分考虑流道结构对附着汽蚀的影响，并结合流体仿真软件对进口流道进行设计修正，尽量避免附着汽蚀现象的产生。

齿轮泵；附着汽蚀；进口流道；仿真修正；排故

1 引言

油泵的空化汽蚀[1]是油泵设计时面临的一个重大问题，其特征为：燃油在油泵内部流通过程中，燃油内空气分离及燃油汽化后会产生气泡，而气泡在受到高压时破裂，一般会产生高达50 MPa的冲击力，对零件产生冲击破坏[2]。对于高转速及高功率密度的航空燃油泵，汽蚀环境更加恶劣。

某型航空发动机齿轮泵，在初样研制阶段中存在比较严重的汽蚀问题，在工作200 h时，已出现因汽蚀影响导致供油不足现象。为解决该初样泵的汽蚀问题，对其结构及性能进行了计算分析。

按照齿轮泵许用汽蚀余量[NPSH]计算方法[3]，该齿轮泵的[NPSH]=0.4 MPa。实际测试中，该泵的进口压力均大于0.7 MPa，即实际进口压力大于0.4 MPa的许用汽蚀余量。可见油泵具备较高的汽蚀余量，不该在此状态下产生严重的汽蚀问题。下面从齿轮泵结构入手，查找影响汽蚀问题的环节。

2 汽蚀现象分析

对于齿轮泵，造成汽蚀现象最大的原因是游离汽蚀和附着汽蚀[4]。游离汽蚀主要受液体粘度、温度、进口压力、转速等因素影响。通常，设计时以考虑游离汽蚀为主，可通过汽蚀余量计算方法计算出产品的[NPSH]。而附着汽蚀是液体在流过流道边壁时若流道过于粗糙或不规则，会形成旋涡、空穴，产生气泡。附着汽蚀无定量计算方法，在设计时容易被忽略。

从该泵实际进口压力和许用汽蚀余量的比较可以看出，产品不应出现游离汽蚀问题，因此应进一步验证产品附着汽蚀的可能性。

首先对可能引起附着汽蚀的油泵进口流道进行分析。如图1所示，原结构齿轮泵进口采用锻件加工，流道由三节圆孔连接而成，过渡生硬，易产生旋涡。

利用齿轮泵常用流体仿真软件Pumplinx[5]对油泵进口流道进行分析。图2示出了原结构流体云图。可见，流体高速流过时流道内多处出现低压点，并产生旋涡(图3)，促进气泡生成。当气泡遇到高压时便会产生汽蚀现象。因此，可初步判定该齿轮泵汽蚀，很大程度上是因为进口流道设计不合理所致，下面从该方面入手展开改进设计。

3 进口流道改进设计及仿真对比

在该齿轮泵改进时，对进口流道改用铸造成型的方法加工，采用流线型均匀增大截面积的思路设计，并配合仿真分析流体云图进行反复改进，确定最终方案。图4为改进后的进口流道结构。

图3 原结构流体拐角出现的旋涡Fig.3 Vortex at the corner of original structure

图4 改进结构进口流道结构图Fig.4 Improved structure of inlet channel

在相同条件下，对改进前后两种结构进行汽蚀相关的仿真分析对比。根据齿轮泵改进前后模型，建立齿轮泵整体流体域。对仿真模型进行面定义、网格划分、边界条件设定。边界条件设定为：进口压力0.4 MPa，出口压力9.0 MPa，转速8 000 r/min。

原结构齿轮泵汽蚀仿真结果如图5所示。图中，蒸汽质量分数上限统一设定为9×10-7。可见，进口流道末端、卸荷槽进口侧最外端及卸荷槽进口侧啮合处易产生汽泡。汽泡遇到高压就会被压破，即会产生汽蚀。

图6为原结构齿轮泵启动瞬时流量曲线。可见，在启动时，齿轮泵流量不稳定，出现大幅波动，该波动应与汽泡在高压区破裂产生汽蚀有关。

改进后的齿轮泵汽蚀仿真结果如图7所示。可见，卸荷槽进口侧最外端会产生空化，但与改进前相比，其颜色较浅，汽泡量较小。改进后的齿轮泵瞬时流量曲线如图8所示。可见，改进后齿轮泵流量稳定，无大幅波动。

图5 原结构齿轮泵汽蚀仿真图Fig.5 Cavitation simulation of original structure

图6 原结构启动瞬时流量曲线Fig.6 Instant-start flow curve of original structure

图7 改进结构齿轮泵汽蚀仿真图Fig.7 Cavitation simulation of improved gear pump

图8 改进结构齿轮泵瞬时流量曲线Fig.8 Instant-start flow curve of improved structure

齿轮泵进口流道改进前后仿真结果对比表明，改进后，其转向处过渡圆滑，沿程损失减小，且不易产生空化，汽蚀现象得到明显改善。

4 改进效果验证

对改进后的齿轮泵进行试验验证。图9示出了同样进行200 h试验后，改进前后结构运转后侧板的对比照片，可见汽蚀现象得到明显改善。

图9 改进前后结构运转后侧板照片Fig.9 Running the plate picture before and after the structure improved

5 结束语

通过对齿轮泵汽蚀问题机理的分析、计算及流道仿真，找出了初样泵汽蚀原因并进行了改进设计，有效减轻了齿轮泵附着汽蚀现象，提高了齿轮泵的抗汽蚀能力，效果明显。齿轮泵设计时，应充分考虑流道结构对附着汽蚀的影响，并同步运用流体仿真软件对进口流道进行设计修正，尽量避免附着汽蚀现象的产生。

[1]克里斯托弗·厄尔斯·布伦南.泵流体力学[M].潘中永，译.江苏镇江：江苏大学出版社，2012.

[2]何存兴.液压元件[M].北京：机械工业出版社，1982.

[3]航空喷气发动机自动控制设计手册[M].北京：国防工业出版社，1984.

[4]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995.

[5]马富银，杨国平，吴伟蔚.泵的空化现象研究进展[J].流体机械，2011，39(4)：30—34.

Inlet Flow Channel Design Impact on Cavitation Performance of Gear Pump

HE Yuan-bo1，LIANG Yin-chuan2，ZHANG Xiao-wei1
(1.Xi’an Aviation Power Control Technology Corporation Ltd.，Xi’an 710077，China；2.The Military Representatives Office of Xi’an Aviation Power Control Technology Corporation Ltd.，Xi’an 710077，China)

To solve the problems of serious cavitation in the design of prototype sample,cavitation mecha⁃nism was analyzed and causes were found out by deduction.Taking inlet channel improved design as the breakthrough,combining with Pumplinx fluid simulation software,inlet flow channel was optimized through simulation analysis of cavitation degree in the gear pump and flow fluctuation to study how to alleviate the impact of cavitation to the gear pump.It is proposed that in the design of gear pump,the impact of flow channel on cavitation should be considered and the inlet flow channel could be modified by simulation soft⁃ware to avoid cavitation.

gear pump；inlet attached cavitation；flow channel；simulation correction；troubleshooting

V233.2

：A

：1672-2620(2014)04-0039-03

2013-12-03；

：2014-08-18

何渊博(1979-)，男，陕西西安人，工程师，从事航空发动机燃油泵研究。