转子泵出口球阀动态特性计算与分析

　　利用FLUENT软件的动网格技术，通过对转子泵出口球阀的运动特性及转子泵内部流场进行仿真计算和可视化分析，得到出口球阀运动参数的变化曲线和转子泵内部流场的分布情况。仿真分析结果表明：3组球阀的速度、升程、受力随转子的转动呈周期性变化；由于初始条件和边界条件不同，所得仿真曲线与球阀运动规律的数学模型计算曲线有所不同，但变化趋势是一致的；在转子相互啮合区，压力值最小，变化梯度最大，且最小值随转子的转动而变化。

　　长期以来，国内外出现了很多种油气混输泵，有螺杆泵、轴流泵、液环泵、叶片泵、转子泵等。但在含气量较大工况时，上述油气混输泵极易产生气阻失效。针对传统混输泵产品存在的缺陷，提出了一种新型内压缩转子式油气混输泵。通过在该泵出口处增设3组出口球阀，从而消除了气阻，增添了内压缩特性，提高了油气混输功能与泵效率，且可防止回流、降低冲击噪声。

　　鉴于目前尚无转子泵出口球阀理论与设计技术，拟应用动态数值模拟的相关理论及借鉴往复泵球阀最新发展成果，根据转子泵工作特性，对转子泵出口球阀在实际工作过程中的运动情况和内部流场的分布情况进行仿真分析与可视化研究，揭示转子泵出口球阀的运动规律，为其理论分析与设计提供参考和借鉴。

　　1、球阀运动规律的数学模型

　　为便于对转子泵出口球阀运动规律的数学模型进行理论研究，假设：

　　(1)不考虑流体在液缸内流动的摩阻损失；

　　(2)液缸内各点的流体压力及密度都相同；

　　(3)流体动力学封闭方程为均熵流场；

　　(4)不考虑泵腔内的余隙容积；

　　(5)不考虑液缸、转子的变形。

　　选择实型转子泵球阀的结构如图1所示。根据球阀运动微分方程、液缸内流体流动微分方程及初始条件，可推导出描述球阀运动规律的数学模型。其常微分方程组如下：

图1 球阀结构示意图

　　式中：Axd为阀隙过流面积，m2；

　　ρxd为流过球阀间隙的液体密度，kg/m3；

　　p为液缸内液体压力，Pa；

　　α为转子内圆包角；

　　pd为泵的出口压力，Pa；

　　φ为转子转动角度；

　　Vd为阀隙、球阀与阀座形成的空间体积，m3；

　　ρ为液缸内液体密度，kg/m3；

　　Vc为泵腔容积，m3；

　　md为阀球质量，kg；

　　ξ为流量系数，0.50～0.67；

　　Avd为阀球工作面积，m2；

　　υ为球阀运动速度，m/s；

　　h为球阀升程，m；

　　pod为球阀开启时液缸内液体压力，Pa。

　　球阀的仿真条件如下：阀座孔半径rd=0.032m，阀座半锥角δ=45°，阀座倒角长度l=0.005m；阀球半径Rd=0.045m，阀球材质钢的密度ρd=7850kg/m3。液压油密度ρ=856kg/m3。

　　利用MATLAB软件，采用龙格—库塔方法对上述微分方程组进行数值计算，求解得球阀升程、速度随时间的变化曲线分别如图2、图3所示。

图2 数值计算阀球升程变化曲线

图3 数值计算阀球速度变化曲线

　　分析以上变化曲线图可知：随着排液过程的进行，阀球的升程越来越大，但升程变化速率减小，当阀球达到最大升程以后，将悬浮于升程最大值附近的某一固定高度；在球阀开启瞬间，阀球获得很高的开启速度而呈跳跃式开启，此后，阀球速度逐渐减小，当阀球达到最大升程时，速度近似减小为零且保持恒定。

　　4、结论

　　利用FLUENT软件的动网格技术，对转子泵出口球阀的运动特性及转子泵内部流场进行了数值模拟，归纳总结可得出以下结论：

　　(1)在转子泵动态模拟的动画图示中，可直观显示随着转子转动，球阀速度、升程及泵内压力场的变化过程。

　　(2)转子在转动的过程中，3组阀球的速度、升程、受力发生周期性变化，且由于初始条件和边界条件不同，所得仿真曲线与球阀运动规律的数学模型计算曲线有所不同，但变化趋势是一致的。

　　(3)在转子相互啮合区，压力值最小，变化梯度最大，且最小值随着转子的转动而变化。