基于PumpLinx的变量燃料泵流动特性仿真研究

王　凯，　孙　涛　史小锋　伊　寅　李永东　黄艳芬

（1. 中国船舶重工集团公司 第705研究所， 陕西 西安， 710075； 2. 水下信息与控制重点实验室， 陕西 西安，710075； 3. 北京海基嘉盛科技有限公司， 北京， 610041）

基于PumpLinx的变量燃料泵流动特性仿真研究

王凯1，2，孙涛1，史小锋1，伊寅1，李永东1，黄艳芬3

（1. 中国船舶重工集团公司 第705研究所， 陕西 西安， 710075； 2. 水下信息与控制重点实验室， 陕西 西安，710075； 3. 北京海基嘉盛科技有限公司， 北京， 610041）

为了研究鱼雷变量燃料泵的流动特性， 文中提出了一种使用标准模版实现静缸式柱塞泵的研究方法， 通过3D建模软件UG与计算流体力学（CFD）仿真软件PumpLinx完成对柱塞泵的仿真。在此基础上， 进一步对泵的流量、压力和空化进行了仿真和分析。仿真结果表明， 变量泵不会产生空化现象， 但流量脉动较大且高低压过渡不平稳， 这些结论对变量泵的改进设计有一定的参考价值。

鱼雷; 变量燃料泵; 静缸式

0　引言

动力系统是鱼雷的重要组成部分， 它对鱼雷的航速、航深、可靠性等都有着重要影响［1］。燃料泵是鱼雷动力系统的关键部件， 其主要作用是将高压燃料源源不断输送至燃烧室中［2］。

目前， 鱼雷液体燃料的增压及输送均使用直轴式高压柱塞泵。根据动力系统燃料流量的调节方式不同， 可采用斜盘倾角固定的定量柱塞泵或可变燃料流量的变量柱塞泵2种形式。定量燃料泵技术已经成熟， 而变量燃料泵研究还不够深入，可供借鉴的资料非常有限。“设计-样机-试验-定型”的每个环节都难以避免出现反复， 导致设计周期长。计算流体力学（computational fluid dynamics， CFD）仿真能以较少的费用和较短的时间模拟出燃料泵的流量、压力、空化等流动特性， 因此开展燃料泵的CFD仿真十分必要。

PumpLinx是美国Simerics公司研发的专业泵阀仿真软件， 其具有模拟流动、通风、汽蚀的高精度模型， 可快速完成柱塞泵网格划分， 计算模型设置， 快速求解等功能， 能够帮助工程师更好地设计泵和马达。

采用PumpLinx进行变配流式变量柱塞泵CFD模拟的难点主要体现在： 1） PumpLinx提供的柱塞泵模板是转缸式， 不能直接用于静缸式柱塞泵的仿真； 2） 该软件已用于变斜盘倾角的变量泵仿真， 如何实现变配流角的变量泵仿真尚需进一步研究。

文中采用复合建模技术、复杂流体域提取技术、基于专有的几何等角自适应二元树（geometry conformal adaptive binary tree， CAB）算法［3］的网格划分技术建立了燃料泵的CFD模型， 解决了PumpLinx的转缸式柱塞泵模板用于变量燃料泵仿真面临的2个难题， 首次实现了燃料泵的3D流体性能仿真。

1　工作原理

静缸变配流式轴向柱塞泵是一种新型的液压泵， 它不同于常规的转缸斜盘式柱塞泵。标准柱塞泵是转缸式， 缸体带动柱塞旋转， 柱塞在柱塞孔中作往复运动。为使柱塞的运动和吸、压油区的切合准确， 在缸体的配流端面和泵的吸、压油通道之间安放一个固定不动的配流盘［4］。标准柱塞泵通过改变斜盘倾角调节燃料泵流量大小。

静缸式柱塞泵的油缸固定， 斜盘与主轴由键配合并随主轴旋转， 轴承和轨道轮传递带动柱塞在油缸中作直线往复运动， 柱塞弹簧提供柱塞处于低压区吸油过程所需的回程力， 确保柱塞与轨道始终接触。配流环安装在主轴偏心小轴上， 随着主轴作偏心旋转。缸体配流口随配流环的运动间歇性连通吸、压油区。其结构如图1所示。

静缸变配流式轴向柱塞泵的配流角可变， 其驱动轴带动中心轴和斜盘旋转， 提供柱塞往复运动所需的动力。在流量调节过程中， 根据系统的需求， 在转速控制器控制信号作用下， 电机旋转后经过减速器驱动齿轮和丝杆旋转， 通过与丝杆配合的丝套将电机旋转运动转变为丝套的直线往复运动， 从而通过杠杆和导向轴带动中心轴转动，进而驱动配流阀转动， 改变配流阀的配流角度， 实现流量的调节。

图1　轴向柱塞泵结构图Fig. 1　Structure of axial piston pump

静缸变配流式轴向柱塞泵具有容积效率高、功率损失小、易于调节等优点。

轴向柱塞泵的配流盘每旋转1周， 每个活塞往复1次， 完成1次吸油和压油。配流角度一定时， 变配流式燃料泵相当于定量轴向泵， 理论流量可用下式计算

式中： Q为燃料泵流量， L/min； d为柱塞直径， mm；Z为柱塞个数； R为柱塞分布圆半径， mm； γ 为斜盘倾角， （°）； n为转速， r/min； ηv为容积效率。

2　燃料泵流体特性仿真

2.1模型建立

在UG环境建立完整的柱塞泵实体模型， 通过布尔运算得到柱塞泵流场部分的3D模型， 提取柱塞泵流体域， 将流体域导入到PumpLinx， 并对其进行分区处理， 最终的流体域如图2所示。

图2　柱塞泵流体域Fig. 2　Fluid region of piston pump

PumpLinx包括1个网格生成器， 其采用专有的CAB算法， 可自动生成柱塞泵的网格模型。设置网格尺寸， 依次对进口区域、出口区域、配流区域和活塞区域划分网格。划分网格后流体域模型如图3所示。

图3　网格模型Fig. 3　Grid model

采用动网格方法处理柱塞泵的运动， 对动静流域分别建模， 动静流域通过PumpLinx独特的全隐式滑移界面（mismatched grid interface， MGI）技术自动在不同位置重新联结［5］。

2.2仿真计算

PumpLinx软件提供了一些常规泵的专业模板， 大大降低了仿真分析的难度， 然而其提供的柱塞泵模板是标准斜盘式柱塞泵的， 为转缸式柱塞泵， 与燃料泵偏心静缸变配流式柱塞泵结构差异较大， 所以无法直接套用该模板一步步地完成仿真计算。

利用柱塞泵模板所提供的网格生成与设置工具， 在活塞和配流区域生成动网格， 并将柱塞泵转速设置为与斜盘转动相反的方向， 从而抵消活塞和配流区域的转动， 实现静缸变配流式柱塞泵的仿真计算。

变配流角的变量燃料泵仿真需通过设置不同的配流角来实现， 而PumpLinx软件现有的柱塞泵模板并无配流角的设置功能， 所以无法直接用其完成变配流式柱塞泵的仿真计算。可利用UG计算得到柱塞泵流体部分3D模型， 提取流体域的过程， 单独切割出柱塞泵配流盘部分， 使用UG“编辑-移动对象”功能完成配流盘的旋转， 从而实现柱塞泵的变配流角。

根据燃料泵实际参数， 设置柱塞泵模板， 选取高级模式， 设置柱塞数、斜盘中心、斜盘法向量， 并设置转速为5 000 r/min。根据设计的额定工况， 设置燃料泵边界条件。其中变量燃料泵配流角分别设置为α， α+2， α+4， α+6， α+8。

3　流体特性分析

3.1流量特性

PumpLinx具有高效的求解器， 计算速度通常比其他CFD软件快5倍。在柱塞泵出口处和柱塞腔内添加监测点， 可监测2处压力波动情况。设置柱塞泵旋转4圈， 不同配流角下的仿真结果如表1所示。

表1　不同配流角时的仿真流量Table 1　Simulated flow at different variable valve angles

根据式（1）， 当配流角为α时， 理论流量值为92.12 L/min， 与仿真结果基本吻合。式（1）无法计算不同配流角时的流量。通过CFD仿真则可获得不同配流角时的流量， 可用于指导确定配流角的变化范围。

配流角为α时柱塞泵流量曲线如图4（a）所示，其频谱如图4（b）所示， 可知流量脉动的基频为747.1 Hz。

图4　燃料泵排量曲线及频谱特性Fig. 4　Output curve of fuel pump and spectrogram

流量脉动频率计算公式为

式中： n为转速， r/min； Z为柱塞个数。

将泵转速5 000 r/min， 柱塞数9代入式（2）可知fQ为750 Hz。显然， 通过仿真信号获得的脉动频率和理论频率很吻合。

瞬时流量的脉动率可定量评价流量脉动的大小， 且

式中： qshmax和qshmin分别表示瞬时流量的最大值和最小值。代入参数可得δq=17.5%， 可知柱塞泵流量脉动较为显著。这些脉动将使系统工作不稳定， 当流量脉动与管路系统的固有频率相接近时，则可能产生谐振， 这对系统构件有极大的破坏性。

通常， 柱塞泵的柱塞数增大时， 其流量脉动率就会减小。在变量工况下， 奇数柱塞泵的流量脉动系数明显优于柱塞数接近的偶数柱塞泵。此外， 柱塞泵的流量脉动系数还与变转速比、油液弹性模量等参数有关［6］。因此， 在设计液压泵时，可采取必要的措施来抑制或吸收压力脉动， 避免发生谐振。

3.2压力特性

近年来， 燃料泵内部压力分布受到越来越多的重视。1D液压仿真软件只能获得流体域个别位置的压力， 而3D的CFD仿真可以获得流体域任意位置的压力。柱塞泵启动时， 进口压力低， 出口压力逐渐增高， 变量泵启动过程和稳定状态的压力分布如图5和图6所示。可以看出， 启动过程出口、配流盘、吸油柱塞腔的压力都逐步增高，而在稳定状态， 吸油柱塞腔的压力和入口一致，压油柱塞腔的压力与出口一致， 这符合泵的吸、压油过程中的压力分布规律。

图5　启动过程压力分布Fig. 5　Pressure distribution during start process

通过CFD仿真， 在燃料泵出口和柱塞处设置监测点， 可测得出口和柱塞腔的压力波动情况。

图6　稳定状态压力分布Fig. 6　Pressure distribution in steady state

燃料泵出口处压力波动曲线如图7（a）所示。可以看出， 柱塞泵出口压力会随着柱塞泵的稳定而趋于稳定值， 但仍然存在压力波动。为获取压力脉动频率， 使用MATLAB对出口压力波动曲线进行频谱分析， 得到压力频谱如图7（b）所示。

图7　出口压力曲线及幅频特性Fig. 7　Outlet pressure curve and spectrogram

由图可知， 燃料泵出口压力脉动频率为747.1 Hz， 与理论计算值相符。

柱塞腔压力波动如图8所示。可以看出， 柱塞腔压力在低压向高压转换时会产生压力尖峰。柱塞腔压力的高低压过度是否平稳， 是燃料泵十分重要但很难测量的参数， 仿真可弥补测试的不足， 为评估高低压过渡是否平稳及消除压力尖峰提供理论指导。经验表明， 压力尖峰的大小， 与配流盘的错配角、斜盘倾角、出口容积均有关。获取燃料泵压力特性， 将为研究柱塞泵与燃烧系统耦合性奠定基础。

3.3空化现象分析

图8　柱塞腔压力曲线Fig. 8　Pressure curve in piston cavity

缸孔在吸油过程中， 柱塞运动速度和吸油过流面积是变化的。在柱塞运动速度最大处和过流面积最小处， 缸孔内的吸油压力比别处都低， 容易发生气蚀。气蚀时产生的气泡流动到高压处时，其体积减小以致破灭。在气泡凝结破裂的同时，液体质点以很高的速度填充空穴， 在此瞬间产生很强烈的水击作用， 并以很高的冲击频率打击金属表面， 激发出强烈的振动噪声。

众所周知， 随着转速增加， 空化现象会越加明显。不断提高柱塞泵的运行转速， 选取空化模型并进行设置和计算， 当其转速到达5 000 r/min时， 仿真结果如图9所示。

图9　燃料泵空化现象Fig. 9　Cavitation of fuel pump

由图可知， 在转速为5 000 r/min情况下， 燃料泵内部流体的气体体积分数较低， 流体内部少有气泡产生， 即基本无空化现象， 符合燃料泵的设计要求。

4　结束语

文中介绍了新型静缸变配流式燃料泵的工作原理， 并对柱塞泵进行CFD建模与仿真， 得到了泵内流体的流动特性和空化状态。受试验条件和测量仪器的限制， 燃烧泵的泄露、气蚀以及柱塞腔压力等难以通过试验来测量和分析， 而这些问题的解决程度又直接制约柱塞泵性能的提高。通过仿真发现，变量泵不会产生空化现象， 但流量脉动较大、柱塞腔压力在低压向高压过渡会产生压力尖峰， 对泵及其连接管路的振动噪声可能会产生不利影响。

需要说明的是， 文中的结论都是通过CFD仿真得到的， 后续尚需进一步试验验证。

［1］ 张进军， 杨杰. 鱼雷活塞发动机原理讲义［M］. 西安：西北工业大学出版社， 2011.

［2］ 查志武， 史小锋， 钱志博. 鱼雷热动力技术［M］. 北京：国防工业出版社， 2006.

［3］ 高强， 吴伟蔚， 李金国. 摆线转子式机油泵的流体特性分析［J］. 机床与液压， 2011， 39（13）： 29-32.

Gao Qiang， Wu Wei-wei， Li Jin-guo. Fluid Characteristics Analysis of Cycloid Rotor Oil Pump［J］. Machine Tool ＆Hydraulics， 2011， 39（13）： 29-32.

［4］ 李壮云. 液压元件与系统［M］. 北京： 机械工业出版社，2011.

［5］ 陈进， 方建忠， 李世六， 等. 多排式轴向柱塞泵的流体动力特性研究［J］. 建筑机械， 2007， 9（17）： 89-96.

Chen Jin， Fang Jian-zhong， Li Shi-liu， et al. Fluid Dynamic Property Study of Many Rows Type Axial Piston Pump［J］. Construction Machinery， 2007， 9（17）： 89-96.

［6］ 郭锋， 高永强， 郑韦. 轴向柱塞泵的流量脉动对压力脉动的影响及分析［J］. 山东科技大学学报， 2007， 26（5）：49-52.

Guo Feng， Gao Yong-qiang， Zheng Wei. Influence of the Flux Pulsation on Pressure Pulsation of the Axial Piston Pump and Its Analysis［J］. Journal of Shandong University of Science and Technology， 2007， 26（5）： 49-52.

（责任编辑： 陈曦）

Flow Characteristics Simulation of Variable Fuel Pump Based on PumpLinx

WANG Kai1，2，SUN Tao1，SHI Xiao-feng1，YI Yin1，LI Yong-dong1，HUANG Yan-fen3
（1. The 705th Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Xi′an 710075， China； 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory， Xi′an 710075， China； 3. Beijing Hi-Key Technology Limited Company， Beijing 610041， China）

To reveal the flow characteristics of the variable fuel pump for a torpedo， this paper proposes a hydraulic simulation method of the static variable cylinder valve axial piston pump by using the rotary cylinder plunger pump template in the professional pump computational fluid dynamics（CFD） simulation software PumpLinx， and further simulates and analyzes the flow， pressure and cavitation of the pump. Simulation results show that this pump does not produce cavitation， but there exists obvious pulse offlux with unsmooth transition. This research may benefit the improvement and design of the fuel pump with variable valve angle.

torpedo； variable fuel pump； static cylinder

TJ630.32

A

1673-1948（2015）06-0444-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.06.010

2015-07-03；

2015-07-17.

王凯（1990-）， 男， 在读硕士， 主要研究方向为能源动力推进技术.