燃油泵气蚀试验方法研究

2022-10-25

1 引言

齿轮泵是一类常见的动力装置, 具有结构简单, 成本低, 抗污染能力强的特点, 广泛应用于航空发动机中作为高压油源。在燃齿泵的研制过程中, 可以通过FLUNENT、pumplinx等软件对齿轮泵的流场进行数值仿真分析, 通过分析齿轮泵流场的压力分布及速度分布, 查找出可能发生汽蚀的部位, 对模型进行优化设计。此外, 在燃油泵的研制过程中还需试验验证, 燃油泵的高空汽蚀试验主要根据GJB241A的要求, 主要考核高压燃齿泵在油箱增压泵不工作时, 燃油过度汽化的状态下飞机在高空飞行时能否继续执行任务及返航, 泵应能够提供要求的流量和压力。

本文根据GJB241A-2010中关于燃油泵高空汽蚀试验的要求, 结合HB6171-1988以及综合部分厂家的高空试验条件来探讨燃油泵高空汽蚀试验中气液比的计算方法及其他试验条件的确定。

2 高空试验的条件的确定

2.1 油箱压力的确定

1957年出版的ARP492A中规定汽蚀试验时的油箱的压力为20英寸汞柱 (约为67.7kpa) , GJB241A中规定燃油泵汽蚀试验的油箱压力为67.5kpa。试验时, 油箱压力取为67.5kpa。油箱压力也可根据油箱增压泵不工作时, 10km高度处的油箱压力来定。

2.2 气液比的确定

根据GJB241A规定, 泵高空汽蚀试验时, 气液比不小于0.45.气液比的计算方法按照HB6171-1988进行计算。但由于RP-3为正常燃油, 气液比的计算可以按方法二进行。

下面给出气液比计算的两种方法:

第一, 根据HB6171-1988计算气液比, 该方法是根据理想气体状态方程及道尔顿分压原理推导的计算公式, 该计算时基于一定的假设条件的, 气液比计算过程如下:

(1) 根据RP-3燃油标准可知, 燃油5%蒸馏点的温度为162℃, 15%蒸馏点的温度为169℃。计算蒸馏温度特性曲线的斜率为0.7℃/%。

(2) 燃油的真实蒸汽压力的确定:根据附图A.1曲线来确定真实蒸汽压力PTVP。选择雷德蒸汽压力为13.8KPa~20.7kpa, 则60℃时燃油的真实蒸汽压约为31kpa~44kpa, 计算时按照中值37.5进行计算。

(3) 根据燃油20℃时的密度计算空气溶解度K=0.0196。

根据公式1.1计算气液比

式中, P1——油箱在初始条件下的绝对压力, kpa;

P2——燃油泵进口处在新条件下的绝对压力, kpa;

PTVP——相应温度下的绝对真实蒸汽压力, kpa;

t——燃油进口温度, ℃;

K——空气溶解度。

关于气液比的计算, 部分厂家按照《航空喷气发动机自动控制设计手册》中大庆航空煤油的相关数据进行插值计算, 如图1所示, 即60℃时, 油箱压力为67.5kpa, 进口压力为45kpa时, 气液比为0.529, 满足气液比不小于0.45的要求。计算的结果与上文基本一致。

第二, 根据文献2计算气液比, 由于RP-3燃油为蒸汽压较低的介质, 叶宁武等人根据国外的数据拟合得到计算蒸汽压力的经验公式, 并给出了计算气液比的方法:

(1) 奥斯特瓦尔德系数如下:

式中, d15℃为燃油15℃时的密度。

(2) 本生系数:

(3) 燃油真实蒸汽压力的估算公式:

(4) 气液比:

该方法得到的60℃时的燃油真实蒸汽压力为1.496kpa, 该数值与上文计算的差异较大。60℃时, 油箱压力为67.5kpa, 进口压力为45kpa时, 气液比为0.105, 不满足气液比不小于0.45的要求。

由上述两种气液比的计算方法可知, 对于一种介质, 研究其气液比的计算方法具有重要意义, 显然, HB6171-1988的计算方法更适用于宽馏分的燃油, 考虑到RP-3的实际的蒸汽压力较低, 在温度相同时, 蒸汽压力相差几十倍, 即国军标中规定的计算方法计算得到的气液比与实际的气液比相差较大, 因此气液比的计算需根据燃油的种类来综合选择计算方法, 或者采用气液比计进行测量。

2.3 进口压力的确定

(1) 进口压力可以根据气液比的要求降低油箱压力得到, 由于气液比的不同计算方法得到的进口压力也不同, 气液比为0时燃油泵进口压力通常高于该温度下的真实蒸汽压力。

(2) 进口压力也可以为燃油泵设计的最小进口压力。

2.4 流量的确定

(1) 燃油泵进行高空汽蚀试验时, 流量可以根据10km时设计的最大转速、流量来确定, 可在试验时设置旁路, 使得多余的燃油从旁路流出。

(2) 试验时可以采用多组转速点及流量点进行试验。

(3) 对于燃油泵与调节器为一体的泵调, 可以通过控制器实现闭环控制, 控制出口流量满足试验要求, 多余的流量通过调节器回油。这样可以较好的模拟泵的实际工作状态。

3 结语

(1) 对于RP-3燃油, 气液比计算不适宜采用HB6171-1988中的计算方法进行计算, 因此, 可采用文献2的计算方法, 但达到气液比为0.45条件过于严苛, 且根据文献3可知, 燃油的气液比接近0.1时, 某燃油泵的供油能力将急剧下降, 导致发动机转速下降并停车, 因此需确定实际使用过程中可能达到的气液比的极限值。

(2) 试验前可通过及FLUNENT、pumplink等相关软件进行流场仿真分析来选择合适的工作状态。

摘要：高压燃油泵在工作过程中, 如果进口的绝对压力过低, 燃油将发生过度汽化现象, 产生大量的气泡进入齿轮泵的入口, 到达高压区后发生破裂, 冲击力大且频次高, 对金属接触面造成损伤, 使得泵的噪声增加, 供油性能下降, 如该泵为航空发动机的高压油源, 则直接影响飞行安全。

关键词：燃油泵,汽蚀,燃油的真实蒸汽压力,气液比计算