李國(guó)權(quán)，黃 健

（1.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015；2.西北工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，西安 710072）

1 引言

當(dāng)滑油泵入口管路存在空氣時(shí)，滑油泵可能發(fā)生氣塞并導(dǎo)致不供油，進(jìn)而造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)失敗?；捅卯a(chǎn)生氣塞的原因是在泵的入口有空氣且難以排出，泵出口阻力大，端面或徑向間隙過(guò)大而導(dǎo)致泵的效率低等。為此，在發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，深入系統(tǒng)地了解滑油泵氣塞形成的原理及其預(yù)防措施是十分必要的。

2 滑油泵氣塞形成的原理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵的功能簡(jiǎn)單地說(shuō)就是將滑油從油箱（或油池）抽出并送到各潤(rùn)滑點(diǎn)（或油箱）。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油泵一般都是容積式的，常用的有齒輪泵和轉(zhuǎn)子泵。容積式泵的特點(diǎn)是在泵前抽真空，在泵后將流體強(qiáng)制送出，當(dāng)進(jìn)口條件相同時(shí)，泵出口性能（流量）基本保持不變，泵后壓力取決于泵后阻力?；捅玫男阅?，不但與滑油泵本身有關(guān)，還與其所處的系統(tǒng)有關(guān)。因此，需將滑油泵放在系統(tǒng)中來(lái)研究?；捅眉捌渌幭到y(tǒng)的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。當(dāng)泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，泵進(jìn)口的滑油或空氣被抽出至出口，在泵前形成負(fù)壓，油箱（或油池）內(nèi)的滑油在壓力作用下，被送至泵的入口處，再經(jīng)泵擠壓至出口，完成泵送過(guò)程。

但在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中（尤其是首次上臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，滑油泵內(nèi)間隙中無(wú)滑油或滑油很少），由于油箱液位較泵入口低，泵進(jìn)口管路中存在空氣，也就是說(shuō)，泵在起動(dòng)過(guò)程中的工作介質(zhì)是空氣（圖1），當(dāng)泵起動(dòng)后，泵前空氣被泵從入口送到出口，P2升高，P1降低，前者推動(dòng)泵出口的氣體由當(dāng)量噴嘴排出（設(shè)流量為Q1），后者使P0與P1之間形成壓差，使油池的油位沿管路上升補(bǔ)充入口管路被排出的部分體積（設(shè)補(bǔ)充流量為Q2），而P2與P1之間也形成壓差，使泵后空氣通過(guò)油泵間隙（徑向間隙、端面間隙、嚙合間隙）向泵前泄漏（設(shè)泄漏流量為Q3）,設(shè)泵的理論流量為Q，則

當(dāng)泵后阻力小于P2時(shí)，P2就推動(dòng)泵出口的空氣排出，Q1≠0,Q2≠0，泵前管路內(nèi)的空氣被不斷排出，直至全部排出，這樣就完成了起動(dòng)且未發(fā)生氣塞。

當(dāng)泵后阻力大于P2時(shí)，P2就無(wú)法推動(dòng)泵出口的空氣排出，Q1=0,此時(shí)有

也即泵的排量等于泵的泄漏量，泵的效率為0，空氣在泵內(nèi)循環(huán)，氣塞形成。

從以上氣塞形成的原理可作如下分析。

滑油泵的氣塞形成與泵的泄漏流量Q3關(guān)系很大，而該泄漏都是通過(guò)泵的間隙（端面、徑向、嚙合間隙）形成，通?？蓺w結(jié)為縫隙流動(dòng)。對(duì)該縫隙流動(dòng)，吉林工程技術(shù)師范學(xué)院的陳英等人以齒輪泵為研究對(duì)象，對(duì)端面、徑向、嚙合間隙進(jìn)行了深入研究，建立了齒輪泵的內(nèi)泄漏模型，根據(jù)他們所建立的模型，對(duì)于端面泄漏量，與泵前、后壓差成正比，與流動(dòng)介質(zhì)的的動(dòng)力黏度成反比，與端面間隙的3次方成正比，與轉(zhuǎn)速的平方成反比；而齒輪的徑向間隙泄漏量則與壓差、徑向間隙、齒寬、齒頂線速度有關(guān)，其中，壓差、徑向間隙、齒寬越大，泄漏量越大；線速度越大，泄漏量越小。當(dāng)泵在進(jìn)行滑油泵送時(shí)，由于泵內(nèi)介質(zhì)為滑油，滑油的黏度較大，泄漏量Q3相對(duì)較小，泵送過(guò)程可以正常進(jìn)行；而當(dāng)在起動(dòng)初期，滑油泵泵送的是空氣，空氣黏度小，相對(duì)轉(zhuǎn)速較低，這些條件使泄漏量Q3相對(duì)較大，容易形成氣塞。

滑油泵氣塞的原理，還可通過(guò)數(shù)值模擬的方法加以證明。在本文第3節(jié)中，通過(guò)對(duì)某齒輪泵性能進(jìn)行數(shù)值模擬，可以更清楚地看出，在特定條件下，滑油泵的出口流量為0，證明了氣塞的存在。

3 滑油泵氣塞的數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算方法

計(jì)算使用商業(yè)軟件fluent，控制方程采用3維非定常N-S方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)S-A一方程，壁面附近用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，基本方程求解用基于密度的求解方法，求解器用有限體積法。計(jì)算網(wǎng)格采用3棱柱非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，根據(jù)齒輪泵的工作特點(diǎn)，泵體計(jì)算網(wǎng)格采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來(lái)處理計(jì)算域隨時(shí)間變化問(wèn)題，齒輪轉(zhuǎn)速通過(guò)自定義文件給定，泵體網(wǎng)格質(zhì)量通過(guò)2個(gè)齒輪的嚙合過(guò)程不斷重構(gòu)保證。

在給定進(jìn)口總溫、進(jìn)口總壓、進(jìn)口速度方向與出口反壓的邊界條件下，通過(guò)改變出口反壓計(jì)算得到整個(gè)特性線。計(jì)算收斂條件為：進(jìn)口和出口流量隨時(shí)間步呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化。某點(diǎn)的收斂曲線如圖2所示。

在計(jì)算中，假定泵入口氣體為可壓縮的理想氣體。

3.2 計(jì)算對(duì)象

計(jì)算以某一普通齒輪泵為對(duì)象，計(jì)算模型外形如圖3所示，齒輪泵主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 簡(jiǎn)化齒輪泵主要參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

在計(jì)算中，設(shè)定流出控制體的流量為負(fù)值，流入控制體的流量為正值。在模擬出氣塞現(xiàn)象之后，分析齒寬和轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪泵氣塞特性的影響。

不同齒寬的齒輪泵的氣塞特性如圖4所示，2條氣塞特性線分別是在2500 r/min轉(zhuǎn)速下模型1和模型2的計(jì)算結(jié)果。從圖中可見(jiàn)，對(duì)于不同齒寬的齒輪泵，隨著出口壓力的提高，出口截面的氣體流量逐漸減小，直至最后均出現(xiàn)倒流。當(dāng)齒寬d=50 mm、流量為0時(shí)，出口壓力為113～114 kPa；當(dāng)齒寬d=20 mm、流量為0時(shí)，出口壓力約為111 kPa。數(shù)據(jù)表明，隨著齒寬的增大，齒輪泵氣塞點(diǎn)的背壓變大。這說(shuō)明在其他條件相同時(shí)，齒寬越大，越不易發(fā)生氣塞。這是因?yàn)楸玫男孤┦峭ㄟ^(guò)端面、徑向和嚙合間隙而產(chǎn)生的，齒寬越大，泄漏量占整個(gè)性能的比例越小，越不容易發(fā)生氣塞。

不同轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪泵氣塞特性的影響如圖5所示。采用模型2進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)速分別為2500、3500 r/min。結(jié)果表明，對(duì)于同一個(gè)齒輪泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，氣塞點(diǎn)的背壓顯著增大，這說(shuō)明轉(zhuǎn)速越高，越不容易發(fā)生氣塞。

4 滑油泵氣塞的影響因素分析

通過(guò)對(duì)滑油泵氣塞的形成原理進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，氣塞形成的影響因素可從泵前、泵后及泵本身3方面總結(jié)：

（1）泵前管路中有空氣（形成氣塞的必要條件），且阻力較大；

（2）泵后阻力大，如泵后有單向活門(mén)、油濾、散熱器等附件或泵后管路過(guò)長(zhǎng)等；

（3）油泵間隙（徑向、端面、嚙合間隙）較大，使泵的泄漏量Q3相對(duì)較大。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)中，氣塞通常發(fā)生在供油系統(tǒng)中，這是因?yàn)榛拖湮恢猛ǔ１然捅玫牡?，入口管路中存在空氣，即使滑油箱位置比滑油泵的高，為防止滑油箱中滑油的流出，吸油管通常也是向上彎曲，也即吸油管?nèi)在起動(dòng)時(shí)肯定存在空氣，該部分空氣越多，管路阻力越大，形成氣塞的可能性越大；另外，在供油泵出口，通常有供油濾、單向活門(mén)等阻力元件，對(duì)于反向循環(huán)的滑油系統(tǒng)，還有阻力較大的散熱器存在，因此在供油路設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮氣塞的問(wèn)題。對(duì)于回油系統(tǒng)，在反向循環(huán)的回油系統(tǒng)中，盡管入口管內(nèi)同樣存在空氣，但一般回油泵出口阻力都很小，氣塞不易形成，在正向循環(huán)的回油系統(tǒng)中，由于回油泵后有散熱器存在，就不能不考慮此問(wèn)題，某型發(fā)動(dòng)機(jī)就設(shè)置了噴油桿，采取了由增壓泵向各級(jí)回油泵出口少量噴油的方法，如圖6所示。

5 結(jié)論

綜上所述，在發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通?？刹扇∫韵麓胧﹣?lái)防止氣塞的發(fā)生。

采用液位高于供油泵入口的高位油箱，可以保證滑油充滿滑油泵入口管，從而從根本上杜絕氣塞的發(fā)生。但是，在使用高位油箱時(shí)，需設(shè)計(jì)閥門(mén)以防止不工作時(shí)油箱內(nèi)滑油流出。該措施一般用于地面燃?xì)廨啓C(jī)滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

對(duì)于滑油供油泵出口至噴嘴的流路中有單向活門(mén)等阻力元件的情況，可以采用泵出口放氣的措施，預(yù)防當(dāng)泵進(jìn)口有空氣發(fā)生氣塞的可能性。另外，對(duì)于起動(dòng)次數(shù)較少的地面設(shè)備(燃?xì)廨啓C(jī)、試驗(yàn)器等)，還可以通過(guò)在泵后人工放氣來(lái)解決在起動(dòng)過(guò)程中的氣塞問(wèn)題。

在起動(dòng)前向泵內(nèi)灌油和在起動(dòng)初期向油泵入口噴油，使油泵間隙充滿滑油，增大泵內(nèi)空氣泄漏阻力，從而減少空氣泄漏量。

在某些燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)中，由于有輔助泵的存在，可以采用在在起動(dòng)初期利用輔助泵向供油泵入口噴油的方法解決氣塞問(wèn)題。由于滑油黏度較大，當(dāng)滑油充滿油泵的內(nèi)部泄漏間隙時(shí)，通過(guò)這些間隙回流的氣體大大減少，從而消除氣塞。

[1]蒲志理.航空油泵設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

[2]陳英.外嚙合齒輪泵內(nèi)泄漏理論模型的建立及參數(shù)優(yōu)化[J].機(jī)床與液壓，2007,35(10):108-110.