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高速重载齿轮泵壳体热流固耦合仿真

Simulationonthermalfluidstructurecouplingofhigh-speedheavy-dutygearpumpshell

摘要：新一代高性能发动机所采用的高速重载燃油齿轮泵工作条件愈加恶劣，使得燃油齿轮泵壳体在泵内部高压

流体载荷和高温热变形下工作失效问题突出。综合考虑了热流固三种因素，基于有限元数值模拟方法进行

耦

了齿轮泵壳体在极限工况下与热流固单向合条件下的工作强度仿真分析。首先，基于传热原理进行了壳

体稳态温度场的分布规律研究，通过对壳体在热载荷和压力载荷共同作用下的静态响应进行了求解；其

次，进行了齿轮泵壳体在极限工况下的内流场仿真分析，计算得到了齿轮泵内部油液压力载荷和轴承支反

力载荷对至壳体对应区域的流固仿真边界；最后，在校核壳体在极端工况下的强度基础上，分别开展了考

虑与不考虑热载荷下的壳体流固热单向耦合仿真分析。仿真结果表明：考虑热载荷后的壳体变形增大了约

30%，应力增加了6%，热载荷对壳体结构的强度影响突出，是影响壳体刚度的关键因素。

关键词：航空发动机；燃油齿轮泵；壳体；强度仿真

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0引言重，优化后的壳体强度达到设计要求。郭善新等结合齿

轮泵壳体容腔结构，给出不同强度理论下壳体承压与强度

燃油泵是航空发动机的“心脏”，是航空发动机燃油

的函数关系，并通过静压实验验证了方法的正确性。李宏

控制系统的重要部件。外啮合齿轮泵因具有结构简单、体

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伟等应用有限元方法对内啮合齿轮泵壳体进行了强度和

积小、质量轻、抗污染能力强等优点，常被用于航空发动

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[1]刚度分析，找出壳体的薄弱部位；吴仕赋等以某重型变

机的主燃油泵。由于航空齿轮泵运转工况极端恶劣，齿

速器为研究对象，应用有限元方法对壳体的强度和刚度进

轮泵工作腔内流动着高温、高压的油液，此时齿轮泵壳体

行了数值模拟，得到了壳体应力分布云图和变形云图，结

不仅受轴承支撑力，同时也受到热载荷和流场压力载荷作

果表明壳体最大应力集中在副箱壳体表面，该区域变形量

用，这将导致壳体产生热应力以及热变形，影响壳体可靠

性[2]。壳体作为齿轮泵的重要组成部分，其强度和刚度均也较大，并通过变速器加载试验，在壳体强度较弱部位展

影响齿轮泵工作性能，如泵壳体强度不达标可能发生爆裂开了贴片测试，测点试验数据变化曲线和有限元分析结果

造成安全事故，而壳体受载发生变形则容易导致装配间隙一致，验证了有限元方法的可靠性；刘国等[10]应用流固耦

变大，造成油液泄漏，降低容积效率。合理论对壳体进油口进行流固耦合有限元分析，得到在流

[3]体载荷作用下的进油口位置的应力分布情况，结果表明裂

WANGHui等采用ANSYS软件开展了外啮合齿轮泵壳

体的位移及应力变形计算，仿真得到壳体最