CFD Analysis of an Axial Piston Pump
Authors:   , Kumar Sushil 
Published: October 2023

En el ámbito de la Oleohidráulica, las bombas de pistón poseen los diseños más sofisticados, de hecho, las bombas de pistones son las únicos capaces de trabajar a altas presiones, además de poseer el mejor rendimiento de todo el grupo de bombas existentes. Sin embargo, cabe señalar que todos los diseños de las bombas de pistón, se basan principalmente en la experiencia de los diseñadores, por lo tanto no existen herramientas matemáticas para optimizar el diseño de las diferentes partes de las bombas. Por otra parte, en la actualidad hay empresas como Oilgear Towler, que inserta ranuras (surcos) en los patines deslizantes y en los pistones, (dos partes principales de estas bombas), pero no hay ningún estudio científico para analizar sus ventajas o desventajas. Por lo tanto, es necesario comprender matemáticamente las ventajas y desventajas debido a la presencia de ranuras en la superficie de diferentes partes de la bomba. Hay cuatro superficies de deslizamiento en las bombas de pistones, plato inclinado patín deslizante, barrilete y placa de cierre, pistón cilindro y junta esférica entre pistón y patín deslizante. Lubricación entre estas superficies es necesaria, apareciendo por tanto fugas de fluido a bombear entre las mismas. En este proyecto, nuestro objetivo es analizar cada una de estas diferentes superficies de deslizamiento por separado para comprender su diseño y el efecto de los parámetros de diseño en el comportamiento de la bomba. Una vez se tenga un buen entendimiento de las diferentes partes de la bomba de pistones, el objetivo es modelar el comportamiento dinámico de la presión y flujo en la salida de la bomba. En concreto se ha realizado:
Conjunto plato inclinado, patín deslizante – Estudio de las características estáticas y dinámicas del patín deslizante, incluyendo la ranura tallada en el patín. Las ecuaciones de Navier Stokes en coordenadas cilíndricas se han aplicado entre el patín y el plato incluyendo la ranura. Los resultados presentados en este trabajo contemplan, distribución de la presión, las fugas de fluido, la fuerza y par sobre el patín, se ha estudiado la variación de dichos parámetros al modificar las dimensiones y posición de la ranura. El comportamiento dinámico del patín se ha tenido también en cuenta. Se estudia la posición de la ranura con el fin de optimizar el comportamiento del patín.
Barrilete, placa de cierre.- Se analiza mediante la simulación de las ecuaciones de Reynolds de lubricación por FDM (método de diferencias finitas), la distribución de presiones, las fugas, la fuerza y los pares entre el barril y la placa de cierre. La fuerza total y los pares de torsión sobre el barril, se evalúan partiendo de la presión simulada, mostrando que los pares dinámicos que existen sobre el eje XX son mucho menores que los pares actuantes sobre el eje YY. .
Pistón cilindro - Se ha investigado el comportamiento del pistón mediante la modificación del número de ranuras y su posición, la distribución de la presión en el intersticio pistón-cilindro, la fuerza sobre el pistón, las fugas y el par de torsión que actúa sobre el pistón se han analizado. También las zonas donde la cavitación es probable que aparezca se han presentado, se discute la forma de prevenir la aparición de cavitación a través del uso de ranuras. La ecuación de lubricación de Reynolds se ha modelizado en el intersticio pistón-cilindro mediante el uso de volúmenes finitos, la excentricidad y el movimiento relativo pistón-cilindro se han considerado. Diferentes configuraciones de ranuras han sido evaluadas con el fin de encontrar mínimas fugas, máximo par y mínima aparición de cavitación. Se especifican instrucciones de diseño para optimizar el comportamiento del pistón.
Modelo dinámico de la bomba.- Se ha presentado un amplio conjunto de ecuaciones explícitas para cada parte con movimiento relativo de la bomba de pistones. Todas las ecuaciones se han validado mediante un análisis numérico y en su caso experimental. Las ecuaciones han sido combinadas para estudiar de forma dinámica las perturbaciones de presión y el caudal de fugas. El efecto de la pulsación de caudal cuando se modifica el diseño de la bomba también es presentado. En esta tesis, un modelo de simulación basado en ecuaciones analíticas se ha desarrollado, modelo que produce resultados muy rápidamente y aclara con mucha precisión el efecto de las fugas a través de los diferentes intersticios de la bomba.
In the field of Fluid Power, piston pumps possess the most sophisticated designs, in fact, pistons pumps are the only ones capable of working at high pressures, besides possessing the best performance (efficiency) of the entire group of existing pumps. However, it is noted that all the designs of piston pumps, are mostly based on the experience of the designers, thus there exist no mathematical tools for optimizing the design of the different parts of the pumps. On the other hand, there are now companies like Oilgear Towler, who inserted slots (grooves) in the slippers and in the pistons, (two major parts of these pumps) but there is no scientific study to analyze its advantages or disadvantages. There is therefore a need to understand mathematically to study the advantages and disadvantages due to the presence of the groove on the surface of different pump parts. There are four sliding surfaces in the piston pump, Slipper-swash plate gap, Barrel-valve plate gap,
Piston-barrel chamber gap and Spherical bearing, where lubrication exists and leakages through these channels occur. In this project, our aim is to analyze each of these different sliding surfaces separately to understand its design constrains and the effect of the design parameters on the pump behavior. After having a better understanding of all the different parts of the piston pump, the aim is to model the dynamic behavior of pressure and flow at the outlet of the pump.
Slipper plate gap - To understand static and dynamic characteristics of a piston pump slipper with a groove.
Three dimensional Navier Stokes equations in cylindrical coordinates have been applied to the slipper/plate gap, including the groove. The results presented in this thesis include, pressure distribution, leakage, force and torque variations when groove dimensions and position are being modified, the effect of slipper tangential velocity and turning speed are also considered. Design instructions to optimize slipper/groove performance are also given.
Barrel-valve plate gap - Present thesis, analyses the pressure distribution, leakage, force and torque between the barrel and the port plate of an axial piston pump by simulating Reynolds equations of lubrication by FDM (finite difference method). The overall mean force and torques over the barrel are evaluated from simulated pressure and it shows that the torque over the XX axis is much smaller than the torque over the YY axis. A detailed dynamic analysis is then studied by using the temporal torque calculated by Bergada.
Piston-barrel chamber gap - It is being investigated the piston performance by modifying the number of grooves and their position, pressure distribution in the clearance piston-cylinder, leakage force and torque acting over the piston will be discussed, also the locations where cavitation is likely to appear will be presented, discussing how to prevent cavitation from appearing via using grooves. A finite volume based Reynolds equation model has been formulated for the piston-cylinder clearance which considers the piston eccentricity and the relative tangential movement between piston and barrel. Different configurations of the grooves have been evaluated in search of finding minimum leakage, minimum appearance of cavitation and maximum restoring torque. Design instructions to optimize the piston behavior are also given.
Full pump Model - An extensive set of explicit equations for every pump gap will be presented. All of the equations will be checked via performing a numerical analysis of the specified pump clearance, the equations will then be combined to study dynamically pressure ripple and leakages. The effect on the flow ripple when modifying the pump design will also be presented. Therefore in present thesis, a simulation model based on analytical equations has been developed which produce very fast results and clarify very precisely the effect of different leakages happened through the pump clearances.