航空发动机长寿命、高可靠燃油齿轮泵关键技术研究综述

燃油齿轮泵是航空发动机控制系统的核心单元,现阶段我国已掌握燃油齿轮泵自主设计能力,且全面覆盖现有发动机控制系统的基本性能指标,如何进一步提升燃油齿轮泵的寿命及可靠性是行业亟需解决的关键问题。在新一代先进航空发动机中,燃油齿轮泵长期服役在高速、高温、高压、低介质黏度极端工况中,其摩擦副润滑失效以及侧板困油空化极易引发燃油泵故障,是制约航空发动机的安全可靠服役的关键难题。本文归纳了长寿命、高可靠燃油齿轮泵设计亟需解决的关键技术,给出了燃油齿轮泵摩擦副材料、润滑机理建模与测试、困油空化及卸荷槽设计的研究进展,结合燃油齿轮泵实际设计难题和未来技术发展,剖析了上述研究中所面临的挑战及问题,为行业研究人员突破燃油齿轮泵的长寿命、高可靠设计提供了指导方向。

基于运动法的航空发动机高速燃油齿轮泵卸荷槽设计与验证

高压、高速、高温化使得齿轮泵固有困油问题愈发严重,传统卸荷槽结构已难以满足高性能燃油泵设计要求。为此本文提出一种基于运动法的新型卸荷槽结构设计方法,通过构建困油模型并从整泵全局角度分析齿轮参数对困油各项性能的影响规律,以确定齿轮参数并为卸荷槽设计提供约束条件;其次基于齿轮运动规律和卸荷槽设计原则进行了某型燃油齿轮泵卸荷槽的设计,并进行了多个工况下新型卸荷槽和传统卸荷槽困油特性仿真对比;最后试制了样机并通过试验验证了卸荷槽设计的有效性。研究结果表明:所设计的卸荷槽与传统矩形卸荷槽相比,同工况下最大困油压力降低63.4 MPa,流量脉动率减小33.5%,空化区域更小,工作性能更优,能够显著缓解困油带来的不利影响。采用该结构卸荷槽的齿轮泵具有高的容积效率和长时抗汽蚀能力。

螺旋角对航空燃油齿轮泵性能及流量脉动特性的影响

为研究螺旋角对航空燃油齿轮泵性能参数的影响规律,通过坐标变换推导了以圆弧-渐开线-圆弧为端面型线的7齿齿轮泵的型线方程,基于动网格技术和RNG k-ε湍流模型对该泵进行三维瞬态流场数值模拟。通过选定不同的重合度系数,计算比较了4种不同螺旋角齿轮泵的流量特性。研究结果表明:螺旋角对该齿轮泵性能有显著影响,随着螺旋角的增大,齿轮泵出口流量脉动系数呈下降趋势;随着螺旋角依次增大,其他三种角度泵的出口平均流量与螺旋角为23.74°的泵相比分别变化:+1.82%,+2.4%,+0.66%,呈先增后减趋势;经小波变换对齿轮径、轴向受力脉动频率进行分析,其脉动频率与齿轮啮合呈周期性相关;随着螺旋角的增大,齿轮相邻腔室间压力分布逐渐趋于均匀。

基于润滑特性仿真的燃油泵滑动轴承优化设计

磨损加剧是低介质黏度和自冷却结构燃油泵滑动轴承主要失效机制,为提高轴承使用寿命,论文提出了一种基于滑动轴承润滑特性分布规律的轴承优化设计方法.首先基于油膜动压润滑流动的Reynolds方程和等效黏度润滑流动模型,以绝热流动为假设简化滑动轴承内部流动的能量方程,构建一种联合Reynolds方程和绝热流动能量积分方程的燃油泵滑动轴承热流润滑模型.其次采用CFD数值模拟和有限差分法相结合的混合仿真方法,分别对不同间隙比、偏心率、宽径比条件下的滑动轴承的润滑特性进行了仿真,最后采用基于遗传算法的间接法优化方法进行滑动轴承结构优化设计.研究结果表明:优化后的轴承偏心率为0.822 4,宽径比为1.2,油膜厚度为2.7μm,平均温升为36℃,滑动轴承油膜承载力试验测试值与仿真计算值间的误差最大不超过5%,表明轴承能够很好地承受燃油泵的径向力载荷,从而保证轴承与轴瓦不发生摩擦接触并具有良好的润滑性能.

一种自冷却结构燃油泵滑动轴承润滑特性分析

为研究低介质黏度和自冷却结构限制下的航空燃油泵滑动轴承润滑特性分布规律,基于油膜动压润滑流动的Reynolds方程和等效黏度润滑流动模型,以绝热流动为假设简化滑动轴承内部流动的能量积分方程,构建一种联合Reynolds方程和绝热流动能量积分方程的燃油泵滑动轴承热流动润滑流动模型。采用CFD数值模拟和有限差分法相结合的混合仿真方法,分别对不同的间隙比、偏心率、宽径比条件下的滑动轴承的油膜压力、油膜厚度、油膜温度、端泄漏量、摩擦阻力等润滑特性进行了仿真分析。仿真结果表明:采用CFD计算滑动轴承径向载荷精度优于4.0%;保持偏心率不变,油膜承载力随着间隙比的增加而单调下降,油膜厚度随着间隙比的增高而增加;保持间隙比不变,油膜的承载力随着偏心率的增大也逐渐增大,油膜厚度随着偏心率的增高而下降,而油膜温度与油膜厚度成反比,且随着偏心率的升高,油膜温度的峰值越来越明显;当偏心率、间隙比一定时,可通过增加宽径比提高滑动轴承的油膜承载力。因此在滑动轴承的设计中,需综合考虑油膜承载力、端泄漏量、油膜厚度和温升间的相互制约因素,合理地优化间隙比、宽径比和偏心率以提高滑动轴承润滑性能。

变PID参数控制在电动齿轮燃油泵中的应用

为实现电动齿轮燃油泵系统的精确供油控制,建立了电动齿轮燃油泵流量特性模型,设计了数字式PID参数控制,并在此基础上以参数切换为原则设计了变PID参数控制,以满足不同情况下航空发动机对供油量的需求。通过试验,变参数PID控制实现了对电动齿轮燃油泵的精确控制,说明设计的PID控制规律能够应用于电动齿轮燃油泵系统供油量的闭环控制。

应用椭圆齿轮流量计的内燃机油耗测量系统

介绍一种用于测量内燃机耗油的流量计,以实现对动力机械的燃油控制,达到节能减排的目的。采用椭圆齿轮的测量形式,开发了二次仪表。利用一台喷油泵试验台进行了系统性能验证实验,根据内燃机的实际工作状况,在内燃机三种工况下进行了实验,即最大扭矩转速、最大功率转速以及起动转速。实验结果表明,该测量系统工作稳定,在最大扭矩转速和最大功率转速下测量误差相对小,分别为0.9%和0.8%,但在起动转速工况下误差大,为32.3%。同时,进油管和回油管的表头均有一定的内泄漏,且随着内燃机转速的增大而减小。最后,通过分析测量数据,提出了从表头工艺参数和软件补偿两个方面提高测量精度。

一种简单适用的加油装置在液压挖掘机上的应用

介绍了液压挖掘机加油系统的改进过程,通过在液压挖掘机的先导泵和柴油箱之间加入齿轮泵,齿轮马达等装置,使机器实现自动加油;并且加入光控或声控系统,提高机器加油的自动化水平,提高生产效率。

四缸柴油机正时齿轮系设计

基于某六缸柴油机正时齿轮系进行同系列四缸机的齿轮系设计,根据平衡机构安装要求,增加左、右平衡轴齿轮及其驱动惰轮,重新布置油泵齿轮位置,使不同速比要求的高压油泵可以安装在齿轮室的同一位置。

航空燃油齿轮泵滑动轴承非线性瞬态性能数值分析

为研究航空燃油齿轮泵滑动轴承在复杂交变载荷扰动下的瞬态润滑行为,建立了燃油齿轮泵滑动轴承的瞬态计算模型,该模型考虑了滑动轴承油膜空化边界的质量守恒和其所处非线性动态承载环境的影响。在此基础上使用批处理技术实现了燃油齿轮泵和滑动轴承的联合仿真计算,在滑动轴承的瞬态润滑计算过程中计入了燃油泵瞬态内流场和其动态载荷的耦合作用。以此进行轴心轨迹稳定性分析以及轴承瞬态润滑性能分析研究。研究结果表明:滑动轴承计算模型的计算结果与实验数据较为吻合,误差保持在1.2%以内;燃油齿轮泵的动态载荷对轴心轨迹的影响体现在轨迹未稳定段偏移的增大以及静平衡位置的消失;通过不同关键参数的对比研究发现:合理的增大宽径比或减小间隙比可以获得更为理想的轴心轨迹静平衡位置。间隙比由0.2%增至0.6%时,未稳定阶段轴心位置的变化趋势由双峰变为单峰,速度稳定段曲线的波动幅值先增大后趋于不变;当宽径比由0.6增至1.2时,全周期内速度响应曲线的偏移降低;在轴承瞬态润滑特性中,轴承载荷变化对于泄漏流量具有较强的敏感性,而对最小油膜厚度的敏感性较差。

喷油泵齿轮断齿原因分析

柴油机喷油泵齿轮发生断齿。通过宏观检验、化学成分分析、硬度测定、渗氮层深度测定和显微组织检验等方法对其断齿原因进行了分析。结果表明,喷油泵齿轮表面硬度低、渗氮层深度浅、有大面积疏松和剥落等渗氮质量问题,降低了齿轮的弯曲疲劳强度和承载能力,导致应力集中的齿根部位断裂。

基于新型卸荷槽的齿轮泵内部流场及空化特性分析

通过理论分析和实验难以获得高转速航空燃油齿轮泵的内部流场及空化特性,针对这一问题,对采用了新型卸荷槽结构的航空燃油齿轮泵进行了数值模拟研究。首先,采用了标准kε湍流模型与全空化模型作为齿轮泵数学模型;然后,通过对比分析的方式,分析了新型卸荷槽齿轮泵的性能提升问题;对不同转速下的新型卸荷槽齿轮泵内流场进行了数值求解,得到了其流动及空化特性;最后,搭建了齿轮泵的质量流量试验平台,进行了不同转速下高转速航空燃油齿轮泵流量测试,并对其仿真结果进行了对比验证。研究结果表明:与矩形卸荷槽齿轮泵相比,新型卸荷槽齿轮泵可以减少44.6%的流量脉动,能有效减少流场空化范围,且其流场最大压力、最小压力均出现在齿轮啮合处;流场最高速度可达130 m/s~132 m/s,最大速度存在于齿轮啮合处;随着转速的提高,流场内气体体积分数和空化范围逐渐增大。该成果可以为预防航空燃油泵出现空化现象,提高送油效率,以及齿轮泵的运行维护提供理论依据。

电动齿轮燃油泵流量特性建模及其控制系统构建

针对电动齿轮燃油泵供油量控制问题,根据工程需求,按照拟合—筛选—优化的建模思路构建了电动齿轮燃油泵流量特性模型。基于模型并结合数字式PID控制规律构建了燃油量控制系统,通过实验验证了所构建的控制系统能够实现对供油量的闭环控制。

某燃油齿轮泵壳体锻件裂纹的分析及解决

在某燃油齿轮泵壳体的齿轮腔8字孔半精加工时,泵壳体发生开裂。对壳体失效件进行了断口分析、能谱分析、金相检查、硬度检查。确定壳体开裂的原因为壳体内部存在链状杂质相以及的残余应力大。通过优化锻造工艺,调整锻后热处理等措施,分散了杂质相,降低了壳体内应力。

航空燃油齿轮泵流动机理的数值模拟研究

通过理论分析和实验研究难以获取航空燃油齿轮泵的流动特性,针对这一问题,对航空燃油齿轮泵流动机理进行了数值模拟研究。首先,采用雷诺平均方程和k-ε湍流模型作为数学模型;然后,应用基于弹簧变形法和局部网格重构技术的动网格技术实现了网格变形;最后,在Fluent中的不同转速下针对内流场进行了数值求解,得到了其压力和速度分布,并分析了转速变化对其流场的影响。研究结果表明:齿轮进入和退出啮合的区域分别形成了局部高压区和低压区,最高压强可达4.3 MPa~20 MPa,最低压强可达-10 MPa~-40 MPa,且两者压差随转速提高而增大;在齿轮啮合处流速达到了局部最大值,最大速度可达105 m/s~269 m/s,且该值与齿轮转速正相关;该研究成果为航空燃油齿轮泵的运行维护和优化设计提供了理论依据。

航空发动机三齿轮燃油泵空化特性研究

针对航空发动机燃油泵的高功率密度需求,对三齿轮燃油泵的空化特性进行研究。利用Fluent对三齿轮燃油泵在不同吸油压力、转速及中心轮密封段形式下的内部两相流动进行数值模拟,并和传统的两齿轮燃油泵进行对比。结果表明:三齿轮泵较易空化,空化发生集中在啮合区及单边进出口过渡区;采用2齿密封较采用1.5齿密封容积效率高,但会产生大幅流量脉动;采用中心轮密封段偏向高压侧的设计容积效率更高。

电动燃油泵故障分析和处理

在航空、航天高精尖技术产业中,电动燃油泵的应用大大地简化了发动机的供油系统,优化了机械液压结构,提高了系统工作的稳定性、可靠性。该文主要针对配套某型号发动机供油系统的电动燃油齿轮泵,试验工作过程中出现的常见故障进行分析并提出相应解决措施。

柴油机喷油泵齿轮断齿问题分析

针对某V型柴油发动机喷油泵齿轮断齿故障,分别从齿轮的材料、硬度、加工精度以及设计强度计算、装配工艺等方面进行检测和分析,并提出一系列的解决措施,最终查明喷油泵齿轮断齿的主要原因,并得到市场验证。

直列六缸柴油机燃油泵齿轮系噪声优化研究

建立了燃油泵齿轮系的简化弹性质量体模型,仿真分析得到其扭转振动响应。结果表明:燃油泵工作频率和发动机着火频率不一致,引起燃油泵齿轮轴扭振幅值较大且峰值波动较大,是燃油泵齿轮系声音异常的主要因子。通过优化燃油泵速比和初始相位,其扭振幅值降低60%,峰值无波动;噪声试验验证优化后的燃油泵齿轮系异响消失,噪声声压级水平总体降低了0.9 dB(A)。

航空燃油齿轮泵偏心浮动侧板预紧装置改进研究

该文为了解决航空燃油齿轮泵低速运转时,偏心预紧装置造成的浮动侧板磨损问题。通过分析航空燃油齿轮泵的实际工况与偏心浮动侧板的结构形式,提出了一种新的预紧装置进行改进。