一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法技术

本发明专利技术提供一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法，属于液压传动领域，主要包括：(A)增压需求分析；(B)初设叶轮基本参数；(C)叶轮形式匹配；(D)叶轮参数优化；(E)强度校核；(F)加工样机进行试验。本发明专利技术基于Pumplinx流体仿真软件对柱塞泵内部流动进行CFD计算，确定柱塞泵的临界入口压力，从而对增压值进行设计、叶轮形式和叶轮参数进行匹配，并最终进行实验验证，解决了柱塞泵吸油不足、柱塞泵叶轮增压系统正向设计能力不够成熟的问题。系统正向设计能力不够成熟的问题。系统正向设计能力不够成熟的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法


[0001]本专利技术属于液压传动领域，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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，本专利专利技术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。

技术实现思路

[0004](一)专利技术的目的
[0005]本专利技术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。
[0006](二)技术方案
[0007]本专利技术的技术方案是：一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法，包括以下步骤：
[0008](A)增压需求分析；
[0009](B)初设叶轮基本参数；
[0010](C)叶轮形式匹配；
[0011](D)叶轮参数优化；
[0012](E)强度校核；
[0013](F)加工样机进行试验。
[0014]步骤(A)中所述的增压需求分析方法如下：
[0015](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；叶轮空化性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(A)增压需求分析；(B)初设叶轮基本参数；(C)叶轮形式匹配；(D)叶轮参数优化；(E)强度校核；(F)加工样机进行试验。2.根据权利要求1所述的一种航空柱塞泵离心增压叶轮的设计方法，其特征在于：步骤(A)所述的增压需求分析方法为：首先计算进油管最低压力；接着计算泵的临界入口压力；然后判断两者间的数值大小，确定是否需要对进油管入口进行增压；若需增压，最后计算需要增压的数值大小，具体过程如下：(1)推导进油管流动控制方程；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。(2)将式(1)用特征线法将控制方程转化为差分格式；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。(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；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。p
min
＝min{p
st,min
,p
tr,min
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)(4)基于Pumplinx建立无增压叶轮的航空柱塞泵CFD三维模型；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
；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。m
′
suc
＝V
p
·
n
·
ρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)(5)判断是否需要对进油管入口进行增压；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，安全系数选择1.2(一般取1～1.5)。Δp＝1.2*(p
crit
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岩，董洪康，陈剑峰，李宇鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：