叶轮泵在液压系统中的应用研究

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Application Research of the Impeller Pump in Hydraulic SystemMENG Yadong，TONG Minyong，GUAN Zhiwei(School of Automobile and Transportation，Tianjin University ofTechnology and Education，Tianjin 300222，China)Abstract：The numerical simulation of an impeler pump which was applied in fluid machine was done on whole rotate speedscope，the outer characteristic cues of pump on al working conditions were drawn. A special application，namely application in hy-draulic system，was researched. The working characteristics of impeller pump and common displacement pump in hydraulic systemwere compared，and the working performance of the both pumps in hydraulic system were analyzed。

Keywords：Impeler pump；NumefcM simulation；Hydraulic system针对-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CFDesign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-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28 MPa，流量200 L/min，按水力机械领域进行单位换算后，流量为 12 in/h，扬程(介质转换为水)为 2 427.6 in，比转速为 60。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 叶轮泵内流敞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-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-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厨行几何建模，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Solidwoks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：2012-06-14基金项目：天津职业技术师范大学科研启动项 目 (KYQDIO005)；教育部科学技术研究重点课题 (209004)作者简介：孟亚东 (1970-)，男，博士，高级工程师，研究方向为载运工具运用工程。E-mail：mengyd2003###163.tom。

· 68· 机床与液压 第 41卷口的完整流场模型，参考图2，然后将其导入 CFDe-sign软件进行数值模拟。

1.3 数值模拟在 CFDesign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 86 029个单元、28 369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-定的负载，此时泵的流量将变蝎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惩压力场的分布，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0～20 000 r/min时的关死扬程曲线，图4为 0-150 000 r/min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 。 oc n ，其中P d。。为数值模拟关死扬程 (MPa)，n为泵的转速 (×10 r/min)。对 20 000r/min以下的数值模拟曲线进行拟合后得到：P 山 。0.002 6n (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-直到 150 000 r/min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 20 000 r/min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。 0.001 6n式中：Pclose为实测关死扬程，1×10。r/min。

l-数值模拟结果(2)MPa；n为泵的转速，l-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20 000 r/min 速至 150 000 r/min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 150 000 r/min时的关死扬程为 36 MPa。

2.2 空载流量曲线图5为 0～20 000 r/min时泵 的空载流量曲线，图6为0～150 000 r/min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/min)，n为泵的转速 (×10 r/min)。对 20 000r/min以下的数值模拟曲线进行拟合后可得：Q free：10n (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-直到 150 000 r/min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20 000 r/min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 6n (4)式中：Qh 为实测空载流量 ，L/min；n为泵 的转速，×10 r/min。

l-数值模拟结果图5 空载流量曲线，转速至20 000 r/min第 13期 孟亚东 等：叶轮泵在液压系统中的应用研究 ·69·.量旱面1-数值模拟结果图6 空载流量曲线，转速至 150 000 r/min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 150 000r/min时的空载流量为 900 L/min。

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-汹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 10 000 r/min下的压力-流量曲线和输出水力功率曲线，图8为 150 000r/min下的压力 -流量曲线和输出水力功率曲线。

l-压力 流量数值模拟结果2-压力 流量实际测量结果3-输出水力功率数值模拟结果霸-出参赢R流量，(L·rain )图7 压力 -流量曲线 (10 000 r/min)60504O妻30出 20l00图8 压力 -流量曲线 (150 000 r/min)在图7中，比较 10 000 r/min下的实测压力 -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 150 000 r/min下的数值模拟压力-流量曲线，结合上-节得到的 150 000 r/min下的预测最大压力 36 MPa和预测最大流量 900 L/min，在保持曲线形状相似的条件下，参考公式 (2)、(4)，绘出压力 -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150 000 r/min时任- 流量对应的负载压力，如300 L/min对应的负载压力为32 MPa，200 L/min对应的负载压力为33 MPa，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-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80%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-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，使空载流量减校边界条件也是-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 28 MPa，流量 200L/min；高压与大流量同时出现，液压功率为94 kW；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42 mm，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 100 kW，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-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· 70· 机床与液压 第 41卷压系统，-般工作在低压大流量状态，流量在 3～200 m /h就属于小流量，将液体-次性从低处向高处运送的高度差也有限，扬程在10～150 m即属于高扬程 。文中叶轮泵在液压系统中工作时流量 l2m /h、扬程 2 427.6 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-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-般低于80%，少数达到 90%，比转速泵的效率更低-些 。容积式泵的效率主要由容积效率和机械效率组成，-般高于80%，最高在90%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。

压力方面，叶轮泵有关死扬程限制。前述预测得到150 000 r/min时的关死扬程为 36 MPa，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-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-定的转速都有-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-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-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-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-流量曲线不同，当原动机的转速不变时，叶轮泵的压力 -流量曲线倾斜向下与流量轴相交，定量容积式泵的压力 -流量曲线是-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 -流量曲线组成-族压力 -流量曲线，这些压力 -流量曲线上任何-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 -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 -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 -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，-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 了理论基矗