高粘度齿轮泵结构与运行参数优化研究

2022-05-27王敬元曹延军孔阳阳张旭东胡加辉刘春波

化工自动化及仪表 2022年3期

王敬元曹延军孔阳阳张旭东胡加辉刘春波

（1.郑州机械研究所有限公司；2.河南工业大学机电工程学院）

齿轮泵以其结构简单、加工方便、成本低及对污染物敏感度低等优点，应用十分广泛，按照所输送介质的粘度、温度等特征，可以分为普通、特种和高参数聚合物齿轮泵，设计制造难度也逐渐增加。其中，高参数聚合物齿轮泵主要用来输送高温高粘度聚合物，运行条件最苛刻，设计难度最大。高粘度齿轮泵行业作为国家“十四五”规划重点发展行业，目前普遍存在利润率低、科研资金投入少和基础研究薄弱的问题，利用计算机技术对泵运行期间的内部流场状态进行研究、积累基础数据是优化泵设计、提高泵性能、促进高端产品国产化的重要途径。

郑州机械研究所有限公司的科研团队一直致力于高粘度齿轮泵的设计与研发工作［1，2］。随着我国工业的发展，特别是“十四五”以来，科技创新和解决“卡脖子”问题已经成为科研工作的方向。高粘度齿轮泵领域存在大量亟待解决的基础研究问题，从基础研究做起，积累研究数据是该领域进行自主创新、扭转目前高端产品依赖进口现状的唯一途径［3］。

高粘度泵在使用过程中，输送介质粘度和温度越高，出现的问题越多，主要表现为噪声大、流量脉动大及寿命短等。前期研究表明，高粘度齿轮泵的性能主要取决于两种因素：泵体结构参数与运行参数（包括输送介质的相关参数）。这两类参数的共同作用决定了高粘度齿轮泵内部流场状态，进而决定了各类性能指标［4］。可见，要提高齿轮泵的性能，进行优化设计，必须从基础的流场分析入手。

齿轮泵流场分析研究是基于计算流体动力学（CFD）发展起来的。目前，国内外该方向的研究还比较少［5］，大部分与高粘度齿轮泵相关的研究还停留在单纯进行齿轮参数和泵体结构研究［6］，降低齿轮泵噪声与流量脉动理论研究［7］以及齿轮泵高压化与寿命研究等方向［8］。主要原因是高粘度齿轮泵输送介质均属于非牛顿流体，在高温高粘度状态下，牛顿内摩擦定律并不适用，剪切力与变形之间不再是线性关系，需要针对不同粘度介质的特点建立方程式，普适性较差。

笔者在前期研究的基础上［9］，以动力粘度值在1～50 Pa·s的介质流体为对象，以高粘度外啮合齿轮泵结构与运行参数为优化目标，以泵的内部流场（包括压力场、温度场及速度场等）数据为基础，对高粘度齿轮泵性能进行研究，研究结果可以为高粘度齿轮泵优化设计奠定理论基础。

1 理论建模与仿真

1.1 湍流模型与空化模型

根据中粘度段流体介质特点，本研究延用RNG k-ε湍流与空化模型相结合的理论模型。前期应用已证明这种理论模型与非结构化网格适应性较好，且计算结果与试验结果吻合较好［9］。

1.2 齿轮泵建模参数与方法

外啮合齿轮泵建模所需参数分为两类：一类为齿轮相关参数，主要包括模数、齿数、中心距及变位系数等；另一类为泵的相关参数，包括卸荷槽间距、进口直径、出口直径及轴向间隙等。本研究过程中，齿轮部分建模时以齿数为主要优化参数，数值取为11～16，其他齿轮相关参数以齿数为参数，参考文献［2～5］选择计算。泵的相关参数参考郑州机械研究所有限公司系列产品确定。

由于本研究所需的基础仿真数据量巨大，采用参数化建模方法，所建计算模型如图1所示。

图1 高粘度齿轮泵数值计算模型

齿轮参数如下：

齿数 11

模数 18

压力角 20°

变位系数 0.473 7

中心距 214 mm

泵的相关参数如下：

卸荷槽间距 34 mm

卸荷槽长 49.1 mm

卸荷槽深 14.5 mm

轴向间隙 0.5 mm

进口直径 40 mm

出口直径 50 mm

2 结果与讨论

本研究通过讨论高粘度齿轮泵设计参数对性能的影响来对其进行优化设计，主要从压力、速度和流量3方面进行分析，分析数据全部基于齿轮泵的内部流场分析结果，具体参数为：输入压力0.1 MPa、输出压力1.2 MPa、转速75 r/min、介质温度27 ℃。

2.1 齿数与介质粘度对高粘度齿轮泵压力的影响分析

泵正常运行过程中，内部压力场的变化直接影响泵的性能，图2给出了齿数和介质粘度与泵的进口、出口和齿轮啮合点处压力的关系，取值点均为泵进口、出口与困油区域的中心点处。

图2 齿数、介质粘度与压力的关系

由图2a可知，在低介质粘度段（1～15 Pa·s）齿数对进口压力的影响很小，但是随着介质粘度的增加，当达到50 Pa·s时，齿数的增加会导致进口压力出现非线性变化趋势，但波动范围不大，约0.01 MPa。相对而言，介质粘度对进口压力的影响比较明显，随着介质粘度的增加，进口压力逐渐减小，可见，高粘度齿轮泵运行过程中更容易出现空化现象。

高粘度齿轮泵出口压力的影响情况如图2b所示，出口压力略高于设定压力，随着介质粘度的增加，齿数的影响越来越明显，当齿数为11、粘度为50 Pa·s时，输出压力最高可达1.217 5 MPa。

图2c给出的是齿轮泵困油区域中接近中心点处的压力变化情况，可以看出，困油区域压力的变化存在与齿数和介质粘度相耦合的关系。当介质粘度较小时，困油压力与出口压力数值接近，且不受齿数增加的影响。随着介质粘度的增加，困油压力逐渐增大，且随着齿数的增加呈现进一步增加的趋势。当介质粘度为50 Pa·s时，齿数对困油压力的影响呈振荡变化趋势，齿数为16时啮合压力已经达到70 MPa左右。介质粘度的升高减弱了泄漏，齿数的增加减小了困油体积。此外，高粘度介质自身可压缩性减弱，多种因素共同作用导致困油区域压力大幅升高。

困油现象是高粘度齿轮泵亟待解决的关键问题，是引起噪声和气蚀的主要原因。高粘度齿轮泵介质粘度的升高加剧了困油的严重性，因此，高粘度齿轮泵齿数不宜过多，同时还应适当加大卸荷槽的尺寸，缓解困油区域瞬时压力过高的情况。

图3 齿数、介质粘度与压力脉动系数的关系

由图3可知，对于高粘度齿轮泵来说，随着介质粘度的增加，压力脉动系数逐渐增加，且压力脉动系数随齿数增加而减小的趋势逐渐明显。齿数对压力脉动的影响在较低介质粘度段规律性不强，但到介质较高粘度段，可见偶数齿压力脉动系数比相邻奇数齿明显要小，因此，进行高粘度齿轮泵设计时，采用偶数齿可以有效抑制压力脉动，以14齿为最佳。

2.2 齿数与介质粘度对高粘度齿轮泵速度的影响分析

介质粘度与齿数对泵进、出口流速的影响如图4所示，测速点取在进、出口的中心点处。可以看出，随着齿数的增加，进、出口速度逐渐减小。较低粘度段时，介质粘度的增加使进、出口速度增加的幅度较大；较高粘度段时，粘度对进、出口速度的影响逐渐减弱。

图4 齿数、介质粘度与速度的关系

2.3 齿数与介质粘度对高粘度齿轮泵流量的影响分析

高粘度齿轮泵的出口流量随齿数与介质粘度的变化情况如图5所示。可以看出，随着齿数的增加，出口流量逐渐减小，主要是由齿槽容积减小所致。介质粘度对出口流量的影响不大。

图5 齿数、介质粘度与泵出口流量的关系

结合图2b，高粘度齿轮泵在运转过程中，出口压力与流量随齿数和介质粘度的变化趋势基本一致，可见，输入功率一定的前提下，齿数的增加导致泵输出功率减小，泵的效率降低；而介质粘度的增加可以使泵的输出功率增加，泵的运行总效率升高。本结论与文献［2］的试验结果一致。

图6 齿数、介质粘度与泵出口流量脉动系数的关系

通过以上分析可知，齿数与介质粘度对高粘度齿轮泵性能影响很大，介质动力粘度位于较高粘度段时，齿数的影响尤为明显，优化设计时选择齿数为14最佳。

2.4 高粘度齿轮泵运行参数对内部压力场的影响分析

本节主要进行齿轮泵运行参数优化分析，包括输入转速、输出压力与介质温度。模拟参数为：齿数14，介质粘度5 Pa·s。

输入转速对运行时泵内部压力场的影响如图7所示，此时，介质温度为27 ℃，输出压力为1.2 MPa。对比图7a、b可知，输入转速的升高使困油区域压力明显增加，定量看，输入转速增加一倍，困油区域压力同时增加近一倍，即由1.6 MPa增加至最高3.0 MPa。可见，高粘度齿轮泵的输入转速不宜过高。

图7 输入转速与内部压力场的关系

输出压力对运行时泵内部压力场的影响如图8所示，此时，介质温度为27 ℃，输入转速为75 r/min。对比图8a、b可知，输出压力的升高使困油区域压力明显增加，定量看，输出压力1.2 MPa，困油区域最大压力2.3 MPa左右，输出压力升高至3.0 MPa时，困油区域压力最大达到4.0 MPa。可见，随着输出压力的升高，困油区域压力随之升高，但升高速率较小，因此，高粘度齿轮泵在高压化方面具有一定的潜力。