基于CFD的高压内啮合齿轮泵三维数值计算方法及其不平衡径向力的研究

发布时间：2018-10-11 11:21

【摘要】：随着经济的快速发展和各工业领域需求的不断增长,内啮合齿轮泵的发展趋势表现为高压力、低流量脉动、低噪声、大排量等特征。传统的中、低压内啮合齿轮泵难以用于高压场合,因此高压内啮合齿轮泵的开发与设计成为当前齿轮泵领域的重要方向。然而,高压化导致泵内的不平衡径向力过大,成为目前国内生产内啮合齿轮泵时压力规格受到限制的主要原因之一。因此,准确获取内啮合齿轮泵泵内不平衡径向力的分布规律,合理设计静压支撑的径向力补偿结构,是确保内啮合齿轮泵高压化工作的关键。基于此,本文以高压内啮合齿轮泵为研究对象,通过探究适合于内啮合齿轮泵高压工况下不平衡径向力求解的CFD数值计算方法和理论研究方法,对高压内啮合齿轮泵的不平衡径向力分布规律开展研究。并结合静压支撑槽对不平衡径向力的补偿作用,分析静压支撑槽的位置和结构尺寸对不平衡径向力补偿作用的影响,确定符合不平衡径向力要求的静压支撑结构。同时,本文针对高压内啮合齿轮泵的设计和运行开展一系列的试验研究,以验证数值计算方法的可靠性。主要内容包括：(1)基于计算流体力学软件FLUENT,利用2.5D动网格的方法建立了高压内啮合齿轮泵的三维数值计算模型。同时,采用粘性壁面的方法模拟两齿轮之间啮合点的存在,提高了内啮合齿轮泵高压工况下的计算精度,并分析了啮合点处粘度的设置对高压内啮合齿轮泵计算效率和计算精度的影响。(2)基于MIXTURE模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,在单相计算的基础上建立适合于高压内啮合齿轮泵的空化两相流动和不平衡径向力求解的数值计算模型；基于此模型,开展对高压内啮合齿轮泵内部压力沿周向的分布规律和不平衡径向力的研究,分析不同工作压力下内啮合齿轮泵中齿轮轴与内齿圈所承受的不平衡径向力大小。(3)针对内齿圈与泵体这一对关键的摩擦副,基于内啮合齿轮泵具体结构的精确化分析,建立一种不平衡径向力求解方法,推导内齿圈所受不平衡径向力的变化特性；针对内啮合齿轮泵的特殊结构,推导静压支撑承载力的计算公式,分析静压支撑不同结构参数对其承载力、泄漏量的影响,指导静压支撑的结构设计；并以泄漏量满足要求,尽可能补偿不平衡径向力为目标,确定内啮合齿轮泵的静压支撑结构形式,具体结果得到了相关的试验验证。(4)搭建了内啮合齿轮泵泵组的测试试验台,并利用此试验台对高压内啮合齿轮泵开展相应的试验研究,分析了不同设计参数(间隙尺寸、月牙形隔板端面槽位置、内齿圈引流孔的大小和泵体等)和不同操作工况(介质温度、工作压力、转速等)对内啮合齿轮泵水力性能的影响,主要包括对内啮合齿轮泵的效率、压力脉动和自吸性能的影响。同时,对理论研究和数值计算的结果提供试验验证。研究结果表明,本文以高压内啮合齿轮泵为对象建立的CFD数值计算方法和理论研究方法能够准确地预测高压内啮合齿轮泵的水力性能、内部压力沿周向的动态分布规律和不平衡径向力的分布规律,其计算结果得到了试验验证。主要研究结论包括：中、高压内啮合齿轮泵的CFD数值计算中,必须考虑两齿轮之间的啮合；过渡区压力随齿轮转动沿周向的变化规律为：在齿顶与月牙形隔板逐渐进入密封(过渡区低压段)和齿顶与月牙形隔板逐渐脱离密封(过渡区高压段)的过程中压力是逐渐升高的,但是在齿顶与月牙形隔板的密封位置不发生变化时,齿腔内的压力基本不随齿轮转动而发生变化；高压工况下的不平衡径向力分布与低压工况不呈现正比例增长,主要取决于过渡腔高压段和高压腔内的压力分布;内啮合齿轮泵实现高压化的关键问题在于确定内啮合齿轮泵相关的设计参数,特别是静压支撑槽的位置和尺寸,实现最准确的间隙补偿和压力补偿等。本文的研究内容和结论能够为高压内啮合齿轮泵的结构设计和操作运行提供理论指导。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH325

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