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航空燃油凸轮泵内部流动特性研究

航空燃油凸轮泵内部流动特性研究

作者：张志宇兰州理工大学

学位级别：硕士

随着社会经济的快速发展,海运事业以及军队水面舰艇的建设速度也不断加快,随之而来的是成品油港口输送以及船运的需求更加多样化,现针对油舱低液面工况下提出采用橡胶包覆凸轮泵进行抽油输油工作。近几年,国内外在凸轮泵型线设计以及模... 详细信息

随着社会经济的快速发展,海运事业以及军队水面舰艇的建设速度也不断加快,随之而来的是成品油港口输送以及船运的需求更加多样化,现针对油舱低液面工况下提出采用橡胶包覆凸轮泵进行抽油输油工作。近几年,国内外在凸轮泵型线设计以及模拟仿真方面取得了较大进展,不仅设计出了排量更大的转子型线,还通过数值模拟计算的方式预测其流量脉动以及振动噪声,并以此为依据不断优化凸轮泵内部结构,提升凸轮泵整体性能。本文在RDB5型凸轮泵原有转子的基础上,对其转子型线进行测绘与三维建模,并在此基础上推导了具有相同外径的渐开线型线。为深入研究凸轮泵转子腔内部流动机理,基于Pumplinx对凸轮泵输送航空燃油时内部流动特性进行数值计算,预测了不同转速、不同出口压力下凸轮泵的内部流动特性;另外,通过引入空化模型以及降低进口绝对压力,对不同型线的凸轮泵在不同自吸高度下的流量特性以及空化特性进行了数值模拟,以此来分析自吸高度对凸轮泵流量衰减以及内部空化分布的影响;另外,进行了原型泵外特性试验以及自吸性能试验,得到了其在多种工况下的出口流量数值,同时对数值计算结果准确性进行了验证。本文通过分析不同转子型线下的凸轮泵内部流动特性,对比选取在低液面工况下具有更好流量特性以及空化特性的型线,为凸轮泵应用于输送航空燃油领域提供一定的理论基础。本文主要结论如下:(1)原有摆线型线容积利用系数以及出口平均流量较低,但其具有较高的容积效率以及流量脉动稳定性,在额定工况下,其容积效率可达91.89%;渐开线型线的容积利用系数为48.00%,相较于摆线型线提高了18.16%,这与数值计算结果中其出口流量较高相符,但在不同工况下,其容积效率低于摆线型转子,流量脉动系数也较高。两种型线对转子所受径向力影响差距不大,主要体现在径向力x方向的分力,渐开线型转子具有额外的径向力脉动,这会引起转轴振动加剧。渐开线型转子腔内部流速整体高于摆线型转子,但其转子啮合处泄漏量也较高,导致其出口流量较高,但容积效率略低。(2)通过凸轮泵自吸性能试验,对凸轮泵应用于扫舱工况下性能进行验证,其试验结果证明其能够用于扫舱工况。通过对凸轮泵进行数值计算,发现渐开线型转子在5m自吸高度下容积效率衰减弱于摆线型线,仅下降了2.606%,同时转子腔内空化程度也较低,其平均气体体积分数为1.623%,低于摆线型转子的1.733%;随着自吸高度的增加,两种型线转子的容积效率均不断下降,但渐开线型转子的容积效率下降速度较慢,与1m自吸高度时相比,6m自吸高度下其容积效率仅下降1.904%,小于摆线型转子的2.343%;综合分析,渐开线型线能够减轻泵两侧腔室中的游离气体体积分数,降低空化对流量特性的影响。(3)基于对生产采用新型线转子凸轮泵的成本考虑,提出与摆线型线具有相同中心距的4叶渐开线型线,在采用此型线时,新加工的转子可直接安装于原型泵泵腔中,减少凸轮泵其余部件的设计与加工成本。4叶渐开线型转子的容积利用系数略大于摆线型转子,虽然其出口流量仅提高了0.011m/h,但其流量脉动强度以及压力脉动强度均得到了抑制;4叶渐开线型转子具有与3叶渐开线型转子相近的平均气体体积分数,说明其仍具有抑制泵腔内部空化发生的优点;综合分析,4叶渐开线型转子可用于替换原型泵中摆线型转子,从而提高其输出流量稳定性以及空化性能。本文以优化多种输油工况下凸轮泵性能为目标,通过建立不同的转子型线并分析其对凸轮泵多工况下性能的影响,为输送航空燃油时凸轮泵的型线选取提供理论指导。

关键词：凸轮泵自吸高度容积效率空化转子型线

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螺旋凸轮泵转子腔流量特性数值分析与验证

农业工程学报 2018年第10期34卷 62-67页

作者：黎义斌张晓泽郭东升王晓飞兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050 甘肃省流体机械及系统重点实验室兰州730050

为了阐明螺旋角对凸轮泵转子腔内部流量特性的影响规律,揭示螺旋角和凸轮泵特性曲线的定量关系,基于FLUENT动网格技术和RNG k-ε湍流模型,对凸轮泵转子腔内部进行三维瞬态流动数值计算,比较了9种螺旋角凸轮泵转子腔内部流量特性,揭示了... 详细信息

为了阐明螺旋角对凸轮泵转子腔内部流量特性的影响规律,揭示螺旋角和凸轮泵特性曲线的定量关系,基于FLUENT动网格技术和RNG k-ε湍流模型,对凸轮泵转子腔内部进行三维瞬态流动数值计算,比较了9种螺旋角凸轮泵转子腔内部流量特性,揭示了螺旋角对转子腔内部瞬态流动结构的影响机制,并通过理论计算及试验验证数值预测分对比析,其相对误差在2.5%~5.7%,具有较高的准确性。研究表明:螺旋角对凸轮泵流量特性及泵腔内部流动有显著影响,相比直叶转子,螺旋转子出口的平均流量和流量脉动幅值均明显降低,从而有效抑制转子腔内二次流、旋涡结构与转子间隙区速度突变;螺旋角为45°~60°时,泵出口平均流量达峰值,泵出口流量脉动幅值最低,转子腔内部流动结构较好,结果表明凸轮泵转子腔最优螺旋角取值为45°~60°。该研究可为凸轮泵转子优化设计提供参考。

关键词：泵计算机仿真模型凸轮泵螺旋角流量脉动性能试验

转子径长比对凸轮泵性能影响的数值模拟与试验

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振动与冲击 2020年第9期39卷 194-200,220页

作者：黎义斌郭东升唐拥林杜俊兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050 广东机电职业技术学院广州510515

为了揭示径长比对凸轮泵性能参数的影响规律,建立不同径长比与凸轮泵特性曲线之间的定量关系,并获得轴系径向载荷分布特性,从而为凸轮泵轴系强度计算提供依据。基于FLUENT动网格技术和RNG k-ε湍流模型对凸轮泵进行三维瞬态流场数值计算... 详细信息

为了揭示径长比对凸轮泵性能参数的影响规律,建立不同径长比与凸轮泵特性曲线之间的定量关系,并获得轴系径向载荷分布特性,从而为凸轮泵轴系强度计算提供依据。基于FLUENT动网格技术和RNG k-ε湍流模型对凸轮泵进行三维瞬态流场数值计算,比较了6种不同径长比凸轮泵的流量特性。结果表明:径长比对凸轮泵性能有显著的影响,随着转子径长比的逐渐增大,凸轮泵出口流量脉动呈逐渐下降的趋势,且出口流量值先增大后减小;转子所受径向力的大小和方向均随转子转动呈周期性变化,且大小随径长比的增大而减小,随泵出口压力的增大而增大。数值计算表明当转子径长比α取值为0.7~1.3时,泵出口平均流量达到峰值区,同时泵出口流量脉动幅值最低,转子受力较好。研究结论为凸轮泵转子径长比的选择提供了理论依据。

关键词：凸轮泵径长比径向激励力流量脉动数值计算

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凸轮泵转子腔内部黏油的流动特性

江苏大学学报（自然科学版） 2022年第4期43卷 464-471,487页

作者：黎义斌白常秀乔慧丽杨悦民兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学温州泵阀工程研究院浙江温州325100 重庆理工大学机械工程学院重庆400054

为了探究黏度、压差和转速对凸轮泵性能的影响,以及流速、激励力的变化规律,在不同的黏度、压差和转速下,对凸轮泵的流场进行三维瞬态数值计算,并通过试验加以验证.研究结果表明:随着黏度从1.8×10^(-5) m^(2)·s^(-1)增大到2.2×10^(-4... 详细信息

为了探究黏度、压差和转速对凸轮泵性能的影响,以及流速、激励力的变化规律,在不同的黏度、压差和转速下,对凸轮泵的流场进行三维瞬态数值计算,并通过试验加以验证.研究结果表明:随着黏度从1.8×10^(-5) m^(2)·s^(-1)增大到2.2×10^(-4) m^(2)·s^(-1),泵的出口流量从16.856 m^(3)·h^(-1)增大到20.736 m^(3)·h^(-1),出口流量脉动趋于稳定,容积效率不断增长,同时进、出口段的高速区变宽;随着压差从0.1 MPa增大到0.6 MPa,出口流量和容积效率减小,出口流量脉动基本一致,x方向激励力最大绝对值从514.04 N增大到1893.37 N,y方向激励力最大值从1709.17 N增大到8855.57 N;随着转速从100 r·min^(-1)增大到300 r·min^(-1),出口流量和容积效率递增,出口平均压力从400.552 kPa增大到405.117 kPa,但出口流量脉动和压力脉动增加,x方向激励力最大绝对值从1211.17 N增大到1513.11 N,y方向激励力最大值从5810.77 N增大到6276.51 N.

关键词：凸轮泵黏油压差转速数值计算

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凸轮泵内部瞬态流场的动网格数值解析

江苏大学学报（自然科学版） 2014年第5期35卷 518-524页

作者：黎义斌李仁年贾琨孟庆武毕祯兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学机电工程学院甘肃兰州730050 济南优科精流机械有限公司山东济南250021

根据凸轮泵啮合特性建立了渐开线方程,当型线方程的压力角介于40°-50°时,共轭转子相对运动时不产生干涉效应.为了阐明压力角对转子型线方程和几何参数的影响,基于FLUENT动网格模型和局部网格重构的网格变形技术,应用RNG k-ε湍流模型... 详细信息

根据凸轮泵啮合特性建立了渐开线方程,当型线方程的压力角介于40°-50°时,共轭转子相对运动时不产生干涉效应.为了阐明压力角对转子型线方程和几何参数的影响,基于FLUENT动网格模型和局部网格重构的网格变形技术,应用RNG k-ε湍流模型及PISO算法对凸轮泵内部流场进行数值解析.通过定量监测排出端流量波动和吸入端压力脉动,获得不同压力角和不同工况下,流量波动和压力脉动的瞬态特性.结果表明：凸轮泵排出端流量和吸入端压力呈周期性变化,当转子压力角逐渐增大时,二者有减小的趋势;转速是影响流量波动和压力脉动的主要因素,随着转速升高,排出端流量和吸入端压力提升明显,脉动现象明显;当转速升高到一定程度后,排出端速度与吸入端压力的脉动值增加较少.

关键词：凸轮泵压力角动网格脉动数值解析

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凸轮泵在真空排污系统中的应用与辅助设计

中国给水排水 2012年第3期28卷 98-101页

作者：王艳杨晓林邢喆济南轨道交通装备有限责任公司山东济南250022

为了验证凸轮泵在真空排污系统中的应用效果,通过设计不同的试验装置对凸轮泵的抽真空性能、真空排污性能等进行分析。结果表明,凸轮泵在真空排污系统中的应用方式基本可行,并根据试验情况总结了关键的辅助设计方法,建议从综合经济指标... 详细信息

为了验证凸轮泵在真空排污系统中的应用效果,通过设计不同的试验装置对凸轮泵的抽真空性能、真空排污性能等进行分析。结果表明,凸轮泵在真空排污系统中的应用方式基本可行,并根据试验情况总结了关键的辅助设计方法,建议从综合经济指标方面进一步验证其适用性。

关键词：凸轮泵真空排污系统辅助设计

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凸轮泵转子型线优化设计及模拟计算

兰州理工大学学报 2014年第3期40卷 44-48页

作者：沈浩贾琨黎义斌孟庆武桑小虎兰州理工大学机电工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 济南优科精流机械设备有限公司山东济南250021

针对渐开线转子型线进行优化设计,在转子型线为渐开线-圆弧的基础上,引入一段高阶曲线,衔接渐开线与圆弧之间的过渡曲线,有效的消除曲线连接处所形成的"尖点"现象.通过对高阶曲线的边界限制和计算机软件的实施得出高阶曲线的方程,并根... 详细信息

针对渐开线转子型线进行优化设计,在转子型线为渐开线-圆弧的基础上,引入一段高阶曲线,衔接渐开线与圆弧之间的过渡曲线,有效的消除曲线连接处所形成的"尖点"现象.通过对高阶曲线的边界限制和计算机软件的实施得出高阶曲线的方程,并根据几何方法及渐开线的性质从而得到整个转子型线的参数方程,并建立其三维模型.采用动网格技术对凸轮泵三维模型数值模拟计算,结果表明:优化后的模型出口处的"脉动"现象有很大的改善,有效的降低了工作噪音.随着转速的提升,介质在出口处的平均速度也随之升高.通过对比流场的模拟计算和实验结果,验证了模拟计算方法的可行性.

关键词：凸轮泵转子型线动网格脉动现象

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凸轮泵转子型线设计与性能分析

武汉大学学报（工学版） 2007年第3期40卷 76-79页

作者：唐善华武汉工业学院机械工程系湖北武汉430023

阐述了凸轮泵的结构和工作原理,分析了转子型线的设计要求,应用复极矢量函数建立了转子理论型线和实际型线的数学模型.在此基础上,采用数值积分方法分析了凸轮泵的理论排量、容积利用系数等特性.利用Matlab编制了凸轮泵的理论排量、容... 详细信息

阐述了凸轮泵的结构和工作原理,分析了转子型线的设计要求,应用复极矢量函数建立了转子理论型线和实际型线的数学模型.在此基础上,采用数值积分方法分析了凸轮泵的理论排量、容积利用系数等特性.利用Matlab编制了凸轮泵的理论排量、容积利用系数的计算和转子型线的绘制程序,并给出了设计实例.得出了转子的设计参数对转子型线和容积利用系数的影响.验证了方法的有效性.

关键词：凸轮泵转子型线理论排量容积利用系数复极矢量函数

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凸轮泵转子设计及内部瞬态特性数值模拟

兰州理工大学学报 2014年第4期40卷 40-44页

作者：沈浩桑小虎黎义斌孟庆武贾琨兰州理工大学机电工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 济南优科精流机械设备有限公司山东济南250021

以两叶、三叶凸轮泵为主要研究对象,首先建立渐开线型两叶、三叶凸轮泵转子型线,然后以CFD软件Fluent为工具,采用RNGk-ε湍流模型和PISO算法,并且借助Fluent动网格技术和UDF函数对凸轮泵内部流场进行非定常的动态数值模拟,研究凸轮泵内... 详细信息

以两叶、三叶凸轮泵为主要研究对象,首先建立渐开线型两叶、三叶凸轮泵转子型线,然后以CFD软件Fluent为工具,采用RNGk-ε湍流模型和PISO算法,并且借助Fluent动网格技术和UDF函数对凸轮泵内部流场进行非定常的动态数值模拟,研究凸轮泵内瞬时流场分布以及压强、速度变化规律.结果表明:基于动网格技术的凸轮泵内部流场的动态数值模拟,能够较真实地反映凸轮泵内部湍流流动的流场分布以及两叶、三叶凸轮泵内部流场的压强和速度的动态变化.由于凸轮泵转子之间、转子与泵内壁间间隙的存在,高压区域会通过间隙向低压区域高速返流,且压差越大涡旋越强,回流冲击越大,最终结果使得工作腔的压力升高.不管两叶还是三叶转子在转动时内部都会产生涡旋现象,且涡旋的位置、形状和大小随着转子的转动而周期性地产生、发展和消失.

关键词：凸轮泵渐开线型动网格 Fluent