叶轮泵在液压系统中的应用研究.pdf

2 0 1 3年 7月 第 4 1卷 第 l 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 3 Vo l _ 41 No ． 1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 3 ． 0 1 9 叶轮泵在液压系统中的应用研究 孟亚东，童敏 勇， 关志伟 天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 3 0 0 2 2 2 摘要针对一个水力机械领域的叶轮泵进行全转速范围的数值模拟，得到各种工况下泵的外部特性曲线 ；研究一种特 殊情况下的应用，即叶轮泵在液压系统中的应用；对比研究叶轮泵和普通容积式泵在液压系统中的工作特点 ，对两种泵的 工作性能进行分析。 关键词叶轮泵；数值模拟；液压系统 中图分类号T H 1 3 7 ，T H 3 1 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 3 0 6 7 4 App l i c a t i o n Re s e a r c h o f t he I mp e l l e r Pu mp i n Hy dr a u l i c Sy s t e m MENG Ya d o n g，TONG Mi n y o n g， GUAN Zh i we i S c h o o l o f A u t o mo b i l e a n d T r a n s p o r t a t i o n ，T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n ，T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f a n i mp e l l e r p u mp w h i c h wa s a p p l i e d i n fl u i d ma c h i n e w a s d o n e o n wh o l e r o t a t e s p e e d s c o p e ， t h e o u t e r c h a r a c t e ri s t i c c u e s o f p u mp o n a l l wo r k i n g c o n d i t i o n s w e r e d r a w n ． A s p e c i al a p p l i c a t i o n ， n a me l y a p p l i c a t i o n i n h y d r a u l i c s y s t e m ， w a s r e s e a r c h e d ． T h e wo r k i n g c h ara c t e ri s t i c s o f i mp e l l e r p u mp a n d c o mmo n d i s p l a c e me n t p u mp i n h y d r a u l i c s y s t e m w e r e c o mp are d， a n d t h e w o r k i n g p e r f o r ma n c e o f t h e b o th p u mp s i n h y d r a u l i c s y s t e m we r e an aly z e d ． Ke y wo r d s I mp e l l e r p u mp ； Nu me f c M s i mu l a t i o n； Hy d r a u l i c s y s t e m 针对一个流体机械领域的叶轮泵进行了研究 ，它 作为液压系统的能源进行工作。使用 C F D e s i g n进行 了全转速下的数值模拟，得到了泵的外特性曲线 ，通 过低转速下的实际测量结果与数值模拟结果的对比， 估计了高转速下的数值模拟误差 ，绘制出了全转速下 叶轮泵外部特性的预测曲线 ，并对误差产生的原因进 行 了分析 。叶轮泵在液压 系统 中的工作特性不 同于一 般的容积式泵 。 ，针对两种泵在液压系统的应用进 行 了对 比研究 。 1 建模与数值模拟设置 1 ． 1 研 究对象描述 作者研究的叶轮泵的叶轮如图 1 所示。根据文献 [ 5 ]中对叶轮的定义，该泵为具有全开式叶轮的混 流泵 。 图 1 叶轮结 构 叶轮泵在水力机械领域常用于输送液体，在该研 究中作为液压系统的能源进行工作，按液压系统的工 作要求 ，工作压力 2 8 MP a ，流量 2 0 0 L ／ m i n ，按水力 机械领域进行单位换算后，流量为 1 2 i n ’ ／ h ，扬程 介 质转换 为水 为 2 4 2 7 ． 6 in，比转速 为 6 0 。基 于 这些使用特点，称为液压系统用叶轮泵，以下简称叶 轮泵 。 1 ． 2 叶轮泵 内流场建模 流体机械领域中已有的泵 内流场研究偏重于叶轮 内部的流场，经常忽略叶轮与蜗壳之间的容腔和进水 室、压水室的影响，但在文中数值模拟中不能抛开这 些部位。首先它们都是叶轮泵 内液流组成的一部分， 分开处理将会造成边界条件失真 ，而这几个部分之间 的边界条件又很难通过理论计算求出。其次，叶轮泵 应用于液压系统中，其出口负载特性受到关注，出口 负载直接影响叶轮泵内的流场 ，将它们放在一起进行 数值模拟更能体现实际工作特性。因此，采用整体建 模方式，将泵从进口直到出口的整个流场进行几何建 模，然后在各个给定转速下对全流量范围进行数值 模拟 。 作者采用S o l i d w o k s 建立叶轮泵各组件的三维模 型 ，进行必要的布尔运算后，得到从叶轮泵进口到出 收稿 日期 2 0 1 2 0 61 4 基金项目天津职业技术师范大学科研启动项 目 K Y Q D I O 0 0 5 ；教育部科学技术研究重点课题 2 0 9 0 0 4 作者简介孟亚东 1 9 7 0 一 ，男 ，博士，高级工程师，研究方向为载运工具运用工程。E ma i l m e n g y d 2 0 0 3 1 6 3 ． t o m。 6 8 机床与液压 第 4 1卷 口的完整流场模型，参考图 2 ，然后将其导入 C F D e s i g n软件进行数值模拟。 1 ． 3数值 模拟 在 C F D e s i g n中，采用非结构化四面体网格进行 划分 ，划分后的泵 内流场模 型如图 2所示 ，有 8 6 0 2 9 个单元 、2 8 3 6 9个节点。 图 2泵 内流场模型 泵 的进 口条件设为进 口液流方 向垂直于吸水室入 口圆柱端面，进 口表压为零。泵的出口条件为流出液 流方向垂直于压水室出口平面。设定 出口表压为零 时，相当于泵直接将液体排出到大气中，此时泵的流 量是该转速下的最大流量，即空载流量 。设定出口表 压为某个数值 ，相当于泵的出口有一定的负载，此时 泵的流量将变小。将泵的出口流量设为零，此时泵的 出口压力经数值模拟得出，该压力是该转速下的最大 压力 ，即关死扬程。 作者对工作范围内的多个转速进行 了数值模拟， 得到了各种情况下的速度场和压力场的分布，同时得 到了关死扬程 、空载流量、压力流量曲线。低转速在 试验中容易实现，可用其对数值模拟的结果进行误差 估计，从而对高转速下的数值模拟结果进行修正 ，得 到外部特性的预测。 2 叶轮泵的外部特性研究 2 ． 1 关死扬程 曲线 图3 为 0～ 2 0 0 0 0 r ／ m i n 时的关死扬程曲线，图4 为 0 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n 时 的关死扬程 曲线 。 在图 3中 ，数值模拟 的关死扬程与转速成抛物线 关系，即有P 。 o c n ，其中P d 。 。 。 为数值模拟关死扬 程 M P a ，n为泵 的转速 1 0 r ／ m i n 。对 2 0 0 0 0 r ／ m i n以下的数值模拟曲线进行拟合后得到 P 山 。 0 ． 0 0 2 6 n 1 根据离心泵的理论 ，叶轮泵的关死扬程与泵转速 成抛 物线关 系 ，图 4中一直 到 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n高转 速 下的数值模拟结果也说明了这种关系。在图3中，实 际测量 2 0 0 0 0 r ／ m i n以下泵 的关死扬程 曲线低 于数 值 模拟曲线 ，对实测曲线进行拟合后可得 P l。 0 ． 0 01 6 n 式中P c lo s e 为实测关死扬 程， 11 0 。r ／mi n 。 l 一 数 值模 拟 结果 2 MP a ；n为 泵 的 转 速 ， l 一 数 值模 拟 结果 图3 关死扬程曲线，转 图4 关死扬程曲线，转 速至 2 0 0 0 0 r ／ m i n 速至 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n 对比公式 1 与 2 ，数值模拟 的结果偏 高。 应该注意，这两个公式是在实物建模后进行的数值模 拟和试验测量 的基础上得 到，与泵 的具体结构有 关 ，不是 普遍性 公 式 。根据 公 式 2 与 图 4中高 转速下的数值模拟结果 ，对高转速下的关死扬程进 行预测 ，绘制出高转速下的关死扬程预测曲线 ，即 图4中的曲线 2 ，预测 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n时的关死扬程 为 3 6 MP a 。 2 ． 2 空载流量曲线 图 5为 0～2 0 0 0 0 r ／ m i n时泵 的空 载流 量 曲 线 ， 图 6为0～1 5 0 0 0 0 r ／ m i n时的空载流量曲线。 在图5中，数值模拟的空载流量与转速呈比例关 系，即有 Q 。 c ／t ，其 中 Q 为数值模拟空载流量 L ／ m i n ，n为泵的转速 1 0 r ／ m i n 。对 2 0 0 0 0 r ／ m i n 以下的数值模拟曲线进行拟合后可得 Q fr e e 1 0 n 3 根据离心泵的理论 ，泵 的空载流量和转速呈线性 关系。图6中一直到 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n高转速下的数值 模拟结果也说明了这种关系。在图 5中，实际测量 2 0 0 0 0 r ／ m i n以下泵的空载流量曲线低于数值模拟 曲 线，对实测曲线进行拟合后可得 Q 6 n 4 式 中Q h 为实 测空 载流量 ，L ／ m i n ；n为泵 的转 速 ， 1 0 r ／mi n。 l 一 数值 模 拟结 果 图 5 空载流量曲线 ，转速至 2 0 0 0 0 r ／ m i n 第 1 3期 孟亚东 等叶轮泵在液压系统中的应用研究 6 9 ．量 旱 面 1 一 数值 模拟结 果 图6 空载流量曲线，转速至 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n 对 比公式 3 与 4 ，说明数值模拟的结果偏 高 。同样 ，这两 个公式也不是普遍性公式 。根据公式 4 与图6中高转速下的数值模拟的结果 ，对高转 速下的空载流量进行预测，绘制出高转速下的空载流 量 预测曲线 ，即图 6中 的曲线 2 ，预测 得 到 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n时 的空载流量为 9 0 0 L ／ m i n 。 2 ． 3 压力流量 曲线 压力流量曲线是泵的主要外部特性。在流体机械 中，泵经常工作在额定转速，或者转速变化范围很 窄 ，只需研究某个转速下的压力流量特性即可。文中 叶轮泵的转速范围很宽，需要在多个转速下进行数值 模拟。上一小节中数值模拟得出了不同转速下关死扬 程与空载流量的值 ，这两个值正是压力流量曲线沿流 量轴方向的起点和终点。图7为 1 0 0 0 0 r ／ m i n下的压 力 一流量曲线和输 出水力功率曲线，图 8为 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n 下的压力 一流量曲线和输出水力功率曲线。 l 一 压力 流量 数值 模 拟结 果 2 一 压力 流 量 实 际测 量结 果 3 一 输 出水 力功 率数 值模 拟 结 果 霸 - 出 参 赢 ‘R * 流 量， L rai n 图7 压力 一 流量曲线 1 0 0 0 0 r ／ mi n 60 50 4 O 妻 3 0 出 2 0 l 0 0 图8 压力 一流量曲线 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n 在 图 7中，比较 1 0 0 0 0 r ／ m i n 下 的实测压力 一流 量 曲线与 数值 模 拟 曲线 ，压力 随流量 的增 大逐 渐 减 小 ，但在 O ． 5 倍的最大流量之前变化较慢 ，流量大于 0 ． 5倍的最大流量以后，压力迅速下降，在小流量时 数值模拟的误差较小 ，在大流量时数值模拟的误差相 对较大，但数值模拟曲线与实测曲线形状相符合。 在图8中，根据 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n下的数值模拟压 力 一流量曲线，结合上一节得到的 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n下 的预测最大压力 3 6 M P a 和预测 最 大流量 9 0 0 L ／ m i n ， 在保持 曲线 形状相 似 的条件 下，参 考公 式 2 、 4 ，绘 出压力 一 流量预测 曲线和输 出水力 功率预测 曲线。根据预测曲线，可以得出 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n时任 一 流量对应的负载压力，如 3 0 0 L ／ m i n对应的负载压 力为 3 2 MP a ，2 0 0 L ／ m i n对应的负载压力为 3 3 M P a ， 输出水力功率也可计算得到。 2 ． 4数值模 拟误 差 以上 的数值模拟 中 ，关死扬程 、空载流量 、压力 流量的数值模拟曲线与实际测量结果有一定的误差 ， 这主要有两方面原因 叶轮泵 的能量损失 和软件模 拟 误差 。 叶轮泵的能量损失主要包括机械损失、容积损失 和水力损失3种 。 。在水力机械中，泵的效率达到 8 0 ％就属于较高效率，能量损失造成数值模拟结果高 于实际值。 软件模拟误差方面，用软件进行数值模拟的过程 中包括了诸多的数值计算 ，采用了具体的流动模型 ， 这都是一些理想情况下的计算 ，而实际过程必然有更 多的不确定流动状态，例如，泄漏使实际关死扬程降 低，使空载流量减小。边界条件也是一些理想条件 ， 实际泵 的进 口、出 口液流 状态 也会 影 响 到泵 的空 载 流量 。 3 叶轮泵的液压系统应用研究 3 ． 1 工作条件 比较 文中液压 系统 的工作 压力 2 8 MP a ，流量 2 0 0 L ／ m i n ；高压与大流量同时出现 ，液压功率为 9 4 k W； 可用空间小，要求功率质量 比、功率体积 比尽量高。 对于这些条件 ，液压系 统常用 的容积 式泵无 法满 足 ， 叶轮泵主要应用于流体机械领域 ，但结构简单 ，体 积 、质量较小 ，参考图 1中的叶轮 ，它 的最大外径 为 4 2 m m，在保证叶轮强度和工作寿命的条件下，最大 输入轴功率可达 1 0 0 k W，能够满足使用要求。叶轮 泵作为液压系统的能源进行工作，它的外部特性与一 般容积式泵不 同。 3 ． 2叶轮泵与容积式泵的工作比较 流体机械中泵的主要任务是输送液体 ，相对于液 7 0 机床与液压 第 4 1卷 压系统 ，一般工作在低压大流量状态，流量在 3～ 2 0 0 m ／ h 就属于小流量，将液体一次性从低处向高 处运送的高度差也有限，扬程在 1 0～1 5 0 m即属于高 扬程 。文 中叶轮泵在液 压系统中工作 时流量 l 2 m ／ h 、扬程 2 4 2 7 ． 6 m，属于超小流量、超高扬程。 根据流体机械中已有的研究成果，小流量、高扬程的 泵比转速较低，低 比转速泵具有高压 、流量小的特 点，缺点是效率偏低，扬程流量曲线容易出现驼峰， 运行时 不稳定 。下 面从 效率 、压 力、流量 、压 力 一流量几个方面对叶轮泵与容积式泵进行比较。 效率方面，在此考虑泵的总效率，即泵输出流量 与泵输出压力的乘积除以轴功率得到的效率。叶片式 泵的效率一般低于 8 0 ％，少数达到 9 0 ％，比转速泵 的效率更低一些 。容积式泵的效率主要 由容积 效率和机械效率组成，一般高于 8 0 ％，最高在 9 0 ％ 以上，并且高效区较宽。另外，液压系统的流量与压 力变化较大，不能保证叶轮泵总在额定点附近工作。 因此，在液压系统中应用叶轮泵效率较低。 压力方面，叶轮泵有关死扬程限制。前述预测得 到 1 5 0 0 0 0 r ／ m i n时 的关死扬程 为 3 6 M P a ，如果负 载 要求的压力超过这个数值 ，转速不变时 ，叶轮泵就无 法满足，只能通过改变泵的结构来提高关死扬程。容 积式泵不同，在一定的转速下，只要原动机的功率足 够 ，能够输出足够的转矩，泵出口的压力可以持续提 高直到满足负载要求 ，此时主要考虑原动机是否过载 以及泵与系统的结构是否耐高压的问题。 流量方面 ，叶轮泵具 有空载流量 限制 。针对一定 的转速都有一个最大流量，超出这个流量叶轮泵就无 法满足要求。容积式泵可以做成定量泵或变量泵，但 在转速一定的情况下有最大流量限制，容积式泵的流 量相对于叶片式泵较小，这是由于两种泵的工作用途 不 同造成 的。 压力一流量特性方面，普通的叶片式泵工作于固 定转速下的额定流量和扬程。在文中叶轮泵的转速在 较宽范围内变化 ，并以高转速为主要工作范围，流量 和扬程都会随负载变化。容积式泵在一定的转速下流 量不变，经常由溢流阀配合保持压力恒定。两种泵的 压力一流量曲线不同，当原动机的转速不变时，叶轮 泵的压力 一 流量曲线倾斜向下与流量轴相交 ，定量容 积式泵的压力 一流量 曲线是一条垂直于流量轴 的 直线 。 叶轮泵作为液压系统的能源，不 同转速下的压 力 一 流量 曲线组成 一族压力 一流量 曲线，这些压 力 一 流量曲线上任何一点都可能成为工作点，液压 系统的负载经常变化较大，压力可从零到几十兆帕 变化 ，将负载 的压力 一流量特性绘制成负载 曲线， 那么，泵的工作点就是负载 曲线与压力 一流量 曲线 的交点 。另外 ，为 了得到稳 定 的 系统压 力 ，液 压 系 统中经常安装有溢流阀，这将对系统 的压力 一流量 特 性产生影 响 。 因此，由于叶轮泵的外部特性和容积式泵外部特 性不同，一个液压系统采用叶轮泵和采用定量容积式 泵的工作区域不 同，系统的动特性变化差异应该 比 较大 。 4结论 针对某叶轮泵 ，建立了包括蜗壳、叶轮在内的整 个流场的三维立体模型，进行了全转速范围的数值模 拟，得到了各种工况下泵内流场的分布，同时得到了 泵的部分外部特性曲线，分析了数值模拟结果。对比 低转速下的试验结果 ，对高转速下泵的外部特性进行 了预测。研究了叶轮泵在液压系统中的应用，比较了 叶轮泵和普通容积式泵在液压系统中的工作特点。文 中研究为叶轮泵的新型号设计和工艺改进提供了参 考 ，并 为叶轮 泵 在 液 压 系 统 中 的 应 用 奠 定 了 理 论 基础 。 参考文献 【 1 】门广学． 低 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