長期以來,國內外出現了很多種油氣混輸泵,有螺桿泵、軸流泵、液環泵、葉片泵、轉子泵等。但在含氣量較大工況時,上述油氣混輸泵極易產生氣阻失效。針對傳統混輸泵產品存在的缺陷,提出了一種新型內壓縮轉子式油氣混輸泵。通過在該泵出口處增設3組出口球閥,從而消(xiao)除了(le)氣阻(zu),增添了(le)內壓縮特性,提高了(le)油氣混輸功能與泵效率,且可防止回流、降低沖(chong)擊噪聲。
鑒于目前尚無轉子泵出口球閥理論(lun)與設計(ji)技術,擬應用動(dong)(dong)態數(shu)值(zhi)模擬的(de)相關理論(lun)及借鑒往復泵球閥最新發展成果(guo),根據轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)泵工作特性,對轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)泵出(chu)(chu)口(kou)球閥在實際(ji)工作過程(cheng)中的(de)運(yun)(yun)動(dong)(dong)情(qing)況(kuang)和(he)內部流場的(de)分(fen)布情(qing)況(kuang)進(jin)行仿真分(fen)析(xi)與可視(shi)化研究,揭(jie)示轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)泵出(chu)(chu)口(kou)球閥的(de)運(yun)(yun)動(dong)(dong)規律(lv),為其(qi)理論(lun)分(fen)析(xi)與設計(ji)提供參考和(he)借鑒。
1 球閥運動規律的數學模型
為便于對轉子泵出口(kou)球閥運動規律的數學(xue)模型進行理(li)論(lun)研究,假(jia)設:
(1)不考(kao)慮流體在液缸內流動的摩阻損失;
(2)液缸(gang)內各點的流體(ti)壓力(li)及密度都相同;
(3)流(liu)體動(dong)力學封(feng)閉方程為均熵(shang)流(liu)場;
(4)不考慮泵腔內的余(yu)隙容積;
(5)不考慮液(ye)缸(gang)、轉子的(de)變形。
選擇實(shi)型(xing)轉子泵球(qiu)閥(fa)(fa)的結(jie)構如(ru)圖1所示。根據球(qiu)閥(fa)(fa)運(yun)動微分方(fang)程(cheng)、液缸內(nei)流(liu)體流(liu)動微分方(fang)程(cheng)及初始條件(jian),可推導出描述球(qiu)閥(fa)(fa)運(yun)動規(gui)律(lv)的數(shu)學模型(xing)。其(qi)常微分方(fang)程(cheng)組如(ru)下:
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圖1 球閥結構示意(yi)圖
式中:Axd為閥隙過流面積,m2;
ρxd為流過球閥間隙的液體密度,kg/m3;
p為液(ye)缸內液(ye)體壓(ya)力(li),Pa;
α為轉子(zi)內圓包角(jiao);
pd為泵的出口壓力(li),Pa;
φ為轉(zhuan)子轉(zhuan)動角(jiao)度;
Vd為閥隙、球閥與閥座形成的空間體積,m3;
ρ為液缸內液體密度,kg/m3;
Vc為泵腔容積,m3;
md為閥球質量,kg;
ξ為流量系數,0.50~0.67;
Avd為閥球工作面積,m2;
υ為球閥運動(dong)速度(du),m/s;
h為球(qiu)閥升程(cheng),m;
pod為球(qiu)閥開啟時(shi)液(ye)缸內液(ye)體壓力,Pa。
球閥的仿真條件如下:閥座孔半徑rd=0.032m,閥座半錐角δ=45°,閥座倒角長度l=0.005m;閥球半徑Rd=0.045m,閥球材質鋼的密度ρd=7850kg/m3。液壓油密度ρ=856kg/m3。
利用MATLAB軟件,采用龍(long)格—庫(ku)塔方(fang)(fang)法對上(shang)述(shu)微分(fen)方(fang)(fang)程組進行數值計算(suan),求解得球閥升程、速度隨時間的變化曲線(xian)分(fen)別如(ru)圖(tu)2、圖(tu)3所示。
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圖2 數(shu)值(zhi)計算閥球升程變(bian)化(hua)曲線
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圖(tu)3 數值計算閥球速(su)度(du)變(bian)化曲(qu)線
分析以上變(bian)化曲線圖(tu)可知:隨(sui)著排液過程的進行(xing),閥球(qiu)(qiu)的升程越來(lai)越大(da),但升程變(bian)化速率減小,當閥球(qiu)(qiu)達到(dao)最(zui)大(da)升程以后,將懸(xuan)浮于升程最(zui)大(da)值附近(jin)的某一固定高度(du);在球(qiu)(qiu)閥開啟(qi)(qi)瞬(shun)間,閥球(qiu)(qiu)獲得很高的開啟(qi)(qi)速度(du)而呈跳躍式(shi)開啟(qi)(qi),此后,閥球(qiu)(qiu)速度(du)逐(zhu)漸減小,當閥球(qiu)(qiu)達到(dao)最(zui)大(da)升程時(shi),速度(du)近(jin)似(si)減小為零且保持恒(heng)定。
2 實體建模與閥球動態特性分析
2.1 實體建模
該泵的仿真條件如下:轉子外徑R=0.16m,轉子內徑r=0.095m,轉子寬度B=0.12m,轉子外圓包角β=88°,內圓包角α=84°;泵轉速n=500r/min,泵流量為Q=80m3/h;進口壓力p1=0.3MPa,出口壓力pd=1.5MPa。
根據轉(zhuan)子泵(beng)及出口球閥(fa)的(de)(de)結構設(she)計(ji)(ji)(ji)總(zong)圖,且考慮到實(shi)(shi)(shi)際(ji)數(shu)值模(mo)(mo)擬(ni)的(de)(de)可行(xing)性(xing)與真(zhen)實(shi)(shi)(shi)性(xing),將實(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)的(de)(de)計(ji)(ji)(ji)算模(mo)(mo)型(xing)合理(li)簡化(hua)為二(er)維(wei)模(mo)(mo)型(xing),利用CAD建立(li)模(mo)(mo)型(xing),再利用FLUENT前處理(li)軟件GAMBIT生成轉(zhuan)子泵(beng)及出口球閥(fa)的(de)(de)計(ji)(ji)(ji)算網格,同時(shi)用FLUENT軟件所(suo)提(ti)供的(de)(de)動(dong)網格技(ji)術以及用戶自(zi)定義(yi)函數(shu)(UDF)進行(xing)動(dong)態仿真(zhen)計(ji)(ji)(ji)算。動(dong)態模(mo)(mo)擬(ni)的(de)(de)流(liu)體(ti)(ti)計(ji)(ji)(ji)算區(qu)域網格劃分如圖4所(suo)示。
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圖4 流體計算區域網格(ge)劃分
2.2 閥球動態特性分析
對FLUENT計算得到(dao)的數據進(jin)行分析,得到(dao)3組閥球的速度、升程、受力曲線,分別如圖5、6、7所示。
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圖5 閥球速(su)度(du)變化曲線(xian)
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圖6 閥球升程(cheng)變化曲線
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圖7 閥(fa)球受力變(bian)化(hua)曲線
對照分析圖5、6、7閥球變化曲線:在液壓達到閥球重力的臨界值時,球(qiu)閥(fa)獲得很(hen)高(gao)的(de)開(kai)啟速(su)(su)(su)度而呈(cheng)跳躍式運動(dong),此時液壓克(ke)服(fu)閥(fa)球(qiu)重力(li)(li)做(zuo)功,閥(fa)球(qiu)開(kai)始向上(shang)運動(dong),升(sheng)(sheng)程(cheng)(cheng)越(yue)來(lai)越(yue)大(da),隨后做(zuo)周期(qi)性運動(dong);此后,閥(fa)球(qiu)速(su)(su)(su)度脈(mo)動(dong)減小,最(zui)后在某個速(su)(su)(su)度值附近(jin)波動(dong),而且閥(fa)球(qiu)速(su)(su)(su)度周期(qi)性地(di)在閥(fa)球(qiu)升(sheng)(sheng)程(cheng)(cheng)最(zui)小時瞬間(jian)發生(sheng)突變。3組閥(fa)球(qiu)的(de)速(su)(su)(su)度、升(sheng)(sheng)程(cheng)(cheng)、受力(li)(li)變化趨(qu)勢是一致的(de),表(biao)明3組球(qiu)閥(fa)具有相(xiang)同(tong)的(de)運動(dong)特性。
3 內部流場仿真分析
分析圖8可知:轉(zhuan)子在轉(zhuan)動的過(guo)程中,球(qiu)閥周期性開(kai)啟和(he)關閉(bi);泵(beng)內(nei)部和(he)閥隙(xi)壓力場均勻(yun)變化。
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圖(tu)8 轉(zhuan)子泵內部壓力(li)場分析
從圖9局部放大圖可以看出:在轉(zhuan)子(zi)(zi)相互嚙合區,壓力值(zhi)最小,變化梯度最大,且最小值(zhi)隨著(zhu)轉(zhuan)子(zi)(zi)的轉(zhuan)動而變化。
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圖9 轉子(zi)嚙合區壓力場局部放(fang)大(da)圖
4 結論
利用FLUENT軟件的動網(wang)格技術(shu),對轉子泵出口球閥的運(yun)動特性及轉子泵內(nei)部(bu)流場進(jin)行了數值模(mo)擬(ni),歸納總結(jie)可得出以下結(jie)論:
(1)在轉子(zi)泵動態模(mo)擬的(de)動畫圖示中,可直觀顯示隨著(zhu)轉子(zi)轉動,球閥速度、升程及泵內(nei)壓力(li)場的(de)變化(hua)過程。
(2)轉子在轉動的過程(cheng)中(zhong),3組閥(fa)球的速(su)度、升程(cheng)、受(shou)力發生周期性(xing)變(bian)化,且由于初始條件和邊(bian)界條件不同,所(suo)得(de)仿(fang)真曲線(xian)(xian)與球閥(fa)運動規(gui)律的數學模型計算曲線(xian)(xian)有所(suo)不同,但變(bian)化趨勢(shi)是(shi)一致的。
(3)在(zai)轉(zhuan)(zhuan)子相互嚙合區,壓力(li)值最(zui)小,變化(hua)梯度最(zui)大(da),且最(zui)小值隨(sui)著轉(zhuan)(zhuan)子的轉(zhuan)(zhuan)動而變化(hua)。