燃油系统旋涡泵压力脉动特性与控制研究

摘要

旋涡泵是一种低比转速叶片式泵，因其具有一般离心泵难以达到的超低比转速、自吸和抗汽蚀能力强，且相较于容积式泵具有尺寸小易加工、压力脉动小的特点，逐渐成为主流的汽车燃油系统供油泵。另一方面，随着现代汽车工业的发展，汽车零部件的NVH（Noise, Vibration,Harshness）性能提升已经成为汽车零部件生产商亟待解决的关键问题，燃油泵作为核心的零部件之一，其NVH性能提升显得更为重要。本文通过研究汽车燃油系统旋涡泵内部流动和压力脉动特性及其控制方法，提出降低压力脉动的结构方案与改进措施，进而通过抑制压力脉动来提升燃油泵的NVH性能。本文开展的主要工作如下：
　　（1）对轴向进出口、悬浮式叶轮的旋涡式燃油泵结构，建立了悬浮式叶轮和油轨内部流动的三维计算模型，完成内部流动的CFD数值模拟和性能预测，并通过多组试验验证了基于内部数值模拟所预测的结果。利用CFD数值模拟结果分析了轴向旋涡泵内部流动结构，归纳了轴向旋涡叶轮和油轨的动量交换机理和能量损失特性。
　　（2）基于三维非定常CFD模拟，分析轴向旋涡式燃油泵在多种工况下的内部非定常流动和压力脉动特性，得到压力脉动的频谱特性和脉动机理，发现叶片与阻油面两端的干涉及其叠加效应是决定旋涡泵压力脉动强度的最主要因素。同时，对燃油泵的辐射噪声进行测试，结果显示燃油泵的压力脉动与中高频辐射噪声具有强相关性，尤其是叶片通过频率与噪声峰值频率完全对应，表明抑制旋涡泵内部流体的压力脉动是改善燃油泵NVH性能的有效手段。
　　（3）基于数值模拟研究流道结构对旋涡泵压力脉动特性的影响，分析了不同阻油面弧长的油轨、不同叶片数叶轮以及不同叶型叶轮的压力脉动特性，进而从流道结构的改进出发，给出了降低旋涡泵压力脉动的流道结构改进方案。
　　（4）基于理论分析模型和非定常CFD模拟，研究叶片随机非等距分布的旋涡式燃油泵压力脉动特性及其对压力脉动的调制和抑制效果，表明叶片随机非等距分布叶轮结构能够分散压力脉动能量，并显著降低叶频峰值，进而提出了改进的非等距旋涡式叶轮的设计方法。
　　（5）针对叶片随机非等距分布的轴向旋涡式燃油泵，分析了节距角差量和阻油面结构对压力脉动的调制和抑制的影响，表明适度增大节距角差量和阻油面长度可更好地抑制压力脉动。最后，提出了有效降低旋涡泵压力脉动峰值的非等距叶轮解决方案，最终解决方案的噪声测试结果表明，轴向旋涡式燃油泵的中高频噪声得到显著抑制，降噪效果明显，燃油泵NVH性能得到了有效提升。
　　本文初步揭示了轴向旋涡式燃油泵内部流场结构和能量交换特性，以及压力脉动产生机理和频谱特性，提出从降低旋涡泵内部流体压力脉动来提升燃油泵的NVH性能的改进方案。从流道结构和叶片非等距分布方式两个方面给出了旋涡式燃油泵压力脉动调制和抑制方法，改进前后的旋涡式燃油泵噪声测试结果表明，通过随机非等距叶片分布方式优化和流道结构改进的配合，能够有效抑制旋涡泵的压力脉动，进而有效提升燃油泵的NVH性能。本文结果也可为其他类型旋涡泵及多叶片流体机械的压力脉动抑制及NVH性能研究提供参考。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 旋涡泵介绍

1.3 旋涡泵研究现状

1.4 本文研究内容

2 旋涡式燃油泵内部流动研究

2.1 旋涡式燃油泵性能预测方法

2.2 旋涡式燃油泵内部流场分析

2.3 旋涡式燃油泵性能试验验证

2.4 本章小结

3 旋涡式燃油泵压力脉动性能研究

3.1 旋涡式燃油泵非定常数值计算方法

3.3 旋涡泵燃油泵非定常模拟结果分析

3.4 燃油泵噪声测试

3.5 本章小结

4 流道结构对旋涡式燃油泵压力脉动特性的影响

4.1 阻油面弧长对压力脉动特性的影响

4.2 叶片数对压力脉动特性的影响

4.3 叶片形状对压力脉动特性的影响

4.4 本章小结

5 基于随机非等距叶片的旋涡式燃油泵压力脉动的调制

5.1 随机非等距叶片分布方法

5.2 叶片非均布程度对压力脉动调制的影响

5.3 阻油面弧长下对压力脉动调制的影响

5.4 非等距叶轮旋涡式燃油泵的噪声测试

5.5 本章小结

6.1 总结

6.2 主要创新点

6.3 展望

参考文献

作者简介