航空柱塞泵供油管路空化及其对泵性能的影响研究

作     者：陈云鹏 

作者单位：中国民用航空飞行学院 

学位级别：硕士

导师姓名：张中波;樊白联

授予年度：2024年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：液压系统 含气型空化 两相流 柱塞泵特性仿真 全空化模型 

摘      要：在飞机正常的飞行过程中,液压系统的供油区域会处在密封及增压状态,不会与外界大气相通。以B737为例,其油箱的增压方式为引气增压,以防止供油管路气穴和泵气塞现象的发生。如果飞行中液压系统供油区域出现失压,此时供油区域就会直接暴露在高空的大气环境下,导致该区域的压力下降,原本溶解在液压油中的气体就会析出,产生含气型空化现象,压力的下降以及气体的析出会共同影响泵的性能。针对这一现象,本文以某型航空电动柱塞泵以及供油管路为研究对象,探究了供油管路内空化的产生机理及影响空化发生的因素,研究了管路空化对泵性能的影响,相关仿真计算获得了试验验证。 首先分析了空化过程中气泡的析出、发展和溃灭,基于Rayleigh-Plesset的气泡动力学方程,分析并简化了蒸汽型空化模型中质量源项的定义,从而推导了含气型空化模型。空化气泡的存在会影响油液的特性,本文分析了空化气泡对油液的密度、可压缩性和粘性等特性的影响,得到了含气率影响下的油液属性方程。 然后以某型飞机液压供油管路为参考对象,建立了长1.5m、直径26mm的供油管路几何模型。基于欧拉两相流模型和含气型空化模型,仿真分析了供油管路在失压状态下油液中气体动态析出的现象,管道进口处气压高度、析出速率k和析出时间都会影响管道出口处的气体的体积分数。当析出达到稳定状态、气压高度在10000m时,气体析出量最多,气相体积分数约为33%;气压高度在1000m时,气体析出量最少,出口气相体积分数约为1.4%,气相体积分数的增加并不随着气压高度的增加而线性增加。 基于全空化模型建立了包含9个柱塞的柱塞泵出口特性仿真模型,以上述管路出口处的气相体积分数和气压高度为边界条件,研究了供油管路内空化对泵性能的影响。气压高度越高,泵吸油侧的空化现象越严重,气相体积分数也就越高,同时提高柱塞泵转速也会加剧吸油侧的空化现象。空化气泡会导致混合油液的弹性模量下降,从而导致柱塞泵出口流量下降。在气压高度低于6000m时,泵容积效率基本随着气压高度的升高而线性下降;在气压高度高于6000m时,泵容积效率下降的速率加快,气压高度为10000m时,泵的容积效率只有22.6%左右。同时泵的流量脉动和压力脉动都随着气压高度的增加而增加。 最后采用降低油箱内环境压力的方式,搭建了柱塞泵低气压供油性能试验台,模拟飞机飞行中油箱失压时柱塞泵的工作环境,试验验证前述的仿真分析结果。试验总共测试1000m、2000m、3000m、4000m等4种气压高度下,柱塞泵的出口流量及其变化。根据试验结果可知,随着气压高度的升高,柱塞泵的容积效率不断下降,从90.6%下降到了75.8%。气压高度每上升1000m,试验容积效率平均下降3.8%,仿真容积效率平均下降3.7%。将泵出口流量仿真数据与试验数据进行对比,最大的误差为2.2%,验证了供油管路空化模型和空化状态下柱塞泵出口特性仿真模型的正确性。