一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法与流程

1.本发明属于液压传动领域，涉及一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法，具体涉及一种容积式液压泵离心增压叶轮的设计方法。


背景技术：

2.航空柱塞泵具有功率密度大、效率高以及寿命长等优点，因此广泛应用于航空航天、工程机械等领域。但随着航空柱塞泵朝着高速高压化、集成化和智能化方向发展，柱塞泵的设计研发迎来了新的挑战，如吸油压力低导致吸空和气蚀等。在柱塞泵工作时，当油液压力低于饱和蒸气压时，油液就会由于空化而产生气泡。当气泡流经高压区域时，它们又会因压力剧增而溃灭，从而对结构表面造成破坏，最终导致轴向柱塞泵寿命变短。因此，为了保证泵内部的油液压力高于发生空化的饱和压力，应采取措施提高柱塞泵的入口压力。
3.在工程应用中，飞机液压系统大都采用增压油箱来提高入口压力。但是由于管道的压力损失，在高速或瞬变工况下空化现象仍然有可能发生。因此，有必要研究一种能够稳定提高柱塞泵油液压力，解决柱塞泵吸油不足问题的有效方法。离心增压叶轮可以有效提高柱塞泵的吸油性能，避免柱塞泵因吸油不足而发生空化和气蚀现象。目前，国内关于增压叶轮的设计及其与柱塞泵的匹配研究较少，还没有相关的设计方法和规范，基于这种考虑，本专利发明了一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法，从而为离心增压叶轮的设计及其与柱塞泵的匹配提供理论指导。


技术实现要素：

4.(一)发明的目的
5.本发明的目的是针对叶轮增压系统的研究尚浅、叶轮增压系统的正向设计能力不够成熟、大流量或瞬变工况下吸油能力不足等缺点，提出一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法，为工程实践提供技术指导。
6.(二)技术方案
7.本发明的技术方案是：一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法，包括以下步骤：
8.(a)增压需求分析；
9.(b)初设叶轮基本参数；
10.(c)叶轮形式匹配；
11.(d)叶轮参数优化；
12.(e)强度校核；
13.(f)加工样机进行试验。
14.步骤(a)中所述的增压需求分析方法如下：
15.(1)推导进油管流动控制方程；
[0016][0017]
式中，q为管内流速，p为压力，ρ为流体密度，f为达西-韦斯巴赫摩擦系数，a为入口管线的横截面积，d为入口管线的直径，a为液压油中的压力波传播速度。式(1)给出了进油管管内瞬态流动的控制方程，需要将其进一步转化为能够数值求解的数值模型。
[0018]
(2)将式(1)用特征线法将控制方程转化为差分格式；
[0019][0020]
式中，p
p,j
、q
p,j
分别表示瞬变流动中管道内压力和流量的有限差分方程。控制方程的特征线 示意图(x-t平面特征线示意图)如图6所示。
[0021][0022]
(3)根据式(2)编程求解稳态及瞬变工况下柱塞泵入口压力变化；
[0023]
求解得到入口压力后，根据式(3)确定柱塞泵工作过程中的最低压力p
min
，通过比较稳态及瞬变工况下的柱塞泵入口最低压力，从而确定柱塞泵在整个工作状态下的入口最低压力。
[0024]
p
min
＝min{p
st,min
,p
tr,min
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0025]
(4)基于pumplinx建立无增压叶轮的航空柱塞泵cfd三维模型；
[0026]
将柱塞泵三维几何模型导入ansys geometry中，运用fill工具进行流道抽取，对抽取后的流道进出口进行适当延伸，得到新的三维几何模型即为轴向柱塞泵流体域几何模型。利用柱塞泵cfd模型，根据式(4)确定柱塞泵在设计转速下的临界入口压力p
crit
；
[0027][0028]
其中p
crit
代表在柱塞泵在特定转速下的临界入口压力，p
in
是入口压力，m
suc
是cfd模拟得到的吸入口的质量流量，m’suc
是吸入口的理论质量流量，使用式(5)计算。
[0029]m′
suc
＝v
p
·n·
ρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0030]
(5)判断是否需要对进油管入口进行增压；
[0031]
比较柱塞泵的入口最低压力与临界入口压力，当p
min
＜p
crit
时，柱塞泵需要集成增压叶轮提高其吸油性能。根据式(6)确定航空柱塞泵增压需求，选择安全系数k确定增压值(一般取 1～1.5)。
[0032]
δp＝k*(p
crit-p
min
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0033]
步骤(b)中所述的初设叶轮基本参数方法如下：
[0034]
(1)根据式(7)初步计算叶轮轴径d；
[0035]
[0036]
式中，m为转矩，[τ]为许用剪切应力。
[0037]
(2)初步确定叶片数z和叶片厚度s；
[0038]
叶片数可取4～10，并根据式(8)计算叶片厚度。
[0039][0040]
(3)根据式(9)、式(10)初步计算叶轮进口直径d1及出口直径d2；
[0041][0042][0043]
式中，d0为叶轮当量直径，k
d2
为速度系数d2速度系数。
[0044]
(4)根据式(11)、式(12)初步计算速度系数k
d2
、k
b2
；
[0045][0046][0047]
步骤(c)中所述的叶轮形式匹配方法如下：
[0048]
(1)根据步骤(b)中的初步设计叶轮基本参数备选多种叶型增压叶轮的方案；
[0049]
(2)根据上述备选方案绘制对应增压叶轮的三维cad模型；
[0050]
(3)将三维几何模型导入ansys geometry中，运用fill工具进行流道抽取；
[0051]
(4)将抽取流道后的增压叶轮装配到柱塞泵cfd模型中，得到带有集成增压叶轮的航空柱塞泵cfd模型；
[0052]
(5)明确增压叶轮性能评价指标，其中稳态评价指标为：增压能力、耦合压力脉动、叶轮空化性能；瞬态评价指标为：吸油压力下冲和吸油压力冲击；稳态评价指标中增压能力是指叶轮使得泵进口压力增加的能力，可定义为叶轮出口与泵入口压力之差；耦合压力脉动是指增压叶轮出口的压力脉动幅值，它一方面将引起额外的振动和噪声，另一方面会降低叶轮的增压作用；叶轮空化性能是指入口压力较低时柱塞泵的空化损伤状况，用于评价柱塞泵发生空化的可能性。瞬态评价指标中，吸油压力下冲是指小流量瞬变到大流量时吸油压力的下降值，可定义为瞬态阶段的最小吸入压力与稳态小流量条件下的进口压力之差；吸油压力冲击是指大流量瞬变到小流量时吸油压力的上升值。
[0053]
(6)分析不同叶型增压叶轮的稳态、瞬态匹配规律，从而确定最优叶型叶轮方案。
[0054]
步骤(d)中所述的叶轮参数优化方法如下:
[0055]
(1)根据增压叶轮的性能评价指标对叶轮参数与流道参数进行优化；
[0056]
(2)分析叶片数、进口直径、叶片高度、出口安置角、叶片包角对叶轮稳态和瞬态评价指标的影响；
[0057]
(3)针对不同的稳态、瞬态性能需求，选取性能更加优异的叶轮参数组合。
[0058]
步骤(e)中所述的强度校核方法如下：
[0059]
通过ansys仿真平台，对增压叶轮的结构强度进行校核，判断设计是否满足最大压力下的强度要求。
[0060]
步骤(f)所述的加工样机并进行试验方法如下：
[0061]
设计样机后进行加工，并通过样机进行实验验证，验证增压效果是否达到增压需求。若不满足设计需求，则重新选取安全系数，并对叶轮参数及流道参数进行优化，重复进行步骤(b)、(c)、(d)、(e)、(f)。
[0062]
(三)本发明有益效果
[0063]
本发明的有益效果为：本发明提供的一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法，以增压需求为出发点，依据增压叶轮的性能评价指标对叶轮形式进行匹配，同时对叶轮参数进行优化，最终通过实验验证该设计方法的可靠性，解决了我国柱塞泵叶轮增压系统的研究尚浅、叶轮增压系统的正向设计能力不够成熟、大流量或瞬变工况下吸油能力不足等缺点。本发明有利于航空柱塞泵入口压力的稳定提高，保证了柱塞泵长寿命、高可靠工作。
附图说明
[0064]
图1为本发明的一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法流程图。
[0065]
图2为本发明实施例中柱塞泵内部流道示意图。
[0066]
图3为本发明实施例中柱塞泵cfd模型网格划分示意图。
[0067]
图4为本发明实施例中六种叶轮形式三维模型图。
[0068]
图5为本发明实施例中六种叶轮形式实物安装图。图6是控制方程的特征线示意图(x-t平面特征线示意图)
具体实施方式
[0069]
下面结合实施例对本发明做具体说明。
[0070]
本实施例以某型号航空柱塞泵为研究对象。泵排量为9.5ml/r，柱塞个数为9。叶轮的出口与一个螺旋形流道相连。经过螺旋形流道，液压油进入配油盘吸油腔。图1为本实施例的一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法流程图，具体实施步骤如下：
[0071]
(a)增压需求分析；
[0072]
首先根据稳态及瞬变工况下柱塞泵流动控制方程计算进油管最低压力为0.12bar；然后运用ansys dm软件从柱塞泵三维cad模型中对流道进行提取，并保存为stl格式导入到 pumplinx软件中，对导入的流体域按照不同的部件进行区域分割，如图2所示。接下来，针对不同区域分别进行网格划分，最终生成的流体域网格如图3所示。最后利用柱塞泵cfd模型计算泵的临界入口压力为0.58bar，需要对进油管入口进行增压；增压需求为0.46bar，取安全系数为1.3，则设计增压值为0.6bar。
[0073]
(b)初设叶轮基本参数；
[0074]
初步计算柱塞泵的叶轮基本参数，根据叶轮所受力矩计算叶轮最小轴径为5.5mm，根据叶轮当量直径和叶轮轴径计算叶轮进口直径为25mm、出口直径为76mm，根据叶轮比转速计算入口速度系数1.28、出口速度系数0.39，最后选取叶片数为8，并确定叶片厚度为1.2mm。
[0075]
(c)叶轮形式匹配；
[0076]
分析六种不同叶型增压叶轮与柱塞泵的匹配规律。叶片数均为8叶片，叶轮形式分别编号为a、b、c、d、e、f，如图4所示。根据增压叶轮性能评价指标，分别对上述六种形式的叶
轮进行比较，最终确定f型的叶轮形式增压值较大，且压力脉动幅值较小。
[0077]
(d)叶轮参数优化；
[0078]
分析叶轮直径，叶轮与端盖间的间隙，叶轮表面粗糙度、叶片数对叶轮性能评价指标的影响，优化叶轮参数。
[0079]
(e)强度校核；
[0080]
通过ansys仿真平台，对增压叶轮的结构强度进行校核，判断设计是否满足最大压力下的强度要求，满足强度要求后进行加工，实际加工的六种叶轮形式如图5所示。
[0081]
(f)加工样机进行试验。
[0082]
设计样机后进行加工，并通过样机进行实验验证，验证增压效果是否达到增压需求，。若不满足设计需求，则重新选取安全系数，并对叶轮参数及流道参数进行优化，重复进行步骤 (b)、(c)、(d)、(e)、(f)。