Bối cảnh & bài toán
Bơm bánh răng cấp nhiên liệu Jet A-1 do một đơn vị nghiên cứu trong nước phát triển, đạt 15 L/phút trên băng thử (21 atm, 6.000 vòng/phút), thấp hơn đáng kể so với 18,09 L/phút tính theo hình học. Khe hở giữa đỉnh răng và vỏ
chỉ 30 µm, giữa hai răng còn nhỏ hơn, và áp suất trong rãnh răng thay đổi theo từng lần ăn khớp — những đại
lượng khó đo trực tiếp. Cần một mô hình CFD đáng tin để tách ảnh hưởng của thiết kế, lắp ráp và chế độ làm
việc.
Cách tiếp cận
- Mô hình không dừng, chất lỏng Newton không nén (Jet A-1: 808,6 kg/m³, 2,0 mPa·s), đẳng nhiệt, k-ε chuẩn;
lưới tam giác với smoothing + remeshing để bánh răng quay qua khe hở vài micromet; bước thời gian 1 µs.
- Điều kiện biên theo băng thử: 1 atm cửa hút, 21 atm cửa đẩy, 6.000 vòng/phút.
- Kiểm chứng ba bước: độc lập lưới (1, 3, 6 ô trong khe), mô hình 2D so với 3D, và khe hở nhỏ nhất giữa hai
răng (30, 15, 5 µm) so với thí nghiệm.
Kết quả
- Mô hình 2D và 3D cùng lưới cho 13,60 và 13,68 L/phút — chênh 0,6%, nên chọn 2D để rút thời gian tính cho
các trường hợp sau. Hai vòng quay đủ để lấy lưu lượng trung bình.
- Khe hở nhỏ nhất giữa hai răng chi phối lưu lượng: 30 µm cho −9,3% so với thí nghiệm, 15 µm cho +2,9%,
5 µm cho +6,7%. Trường hợp lý tưởng lấy 5 µm, vì thiết kế và lắp ráp lý tưởng phải cho lưu lượng cao hơn bơm
thực và gần lưu lượng lý thuyết (17,24 L/phút theo hình học thực). Lưu lượng trung bình đạt 16,01
L/phút.
- Rãnh răng đang tách gần cửa hút có áp suất dưới −3 atm — nguy cơ hóa hơi và xâm thực.
- Ở phía ăn khớp, chất lỏng bị kẹt giữa hai răng (trapped volume): áp suất tăng vọt rồi sụt trong thời gian
rất ngắn, nguy cơ phá hủy bề mặt, giảm bền mỏi và gây ồn. Khuyến nghị: bổ sung rãnh cân bằng áp.
Lợi ích mang lại
Mô hình đã kiểm chứng là nền cho giai đoạn 2: khe hở đỉnh răng – vỏ, lệch tâm hướng kính và dọc trục, độ
nhám bề mặt, tốc độ quay, rãnh cân bằng áp, và độ nhớt Jet A-1 thay đổi theo áp suất và nhiệt độ — để quy
từng dung sai chế tạo ra lưu lượng và áp suất trước khi gia công.
