液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用超低比轉(zhuǎn)速離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭 維，白東安

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

0 引言

渦輪泵是泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的“心臟”，擔(dān)負(fù)著向發(fā)動(dòng)機(jī)推力室主系統(tǒng)及發(fā)生器等副系統(tǒng)輸送高壓推進(jìn)劑的重任，渦輪泵性能的優(yōu)劣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的影響很大，而離心泵特性的好壞決定著渦輪泵的性能。

離心泵設(shè)計(jì)過(guò)程中需要使用大量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，因而往往要經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其各結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到最佳和諧工作狀態(tài)才能獲得一臺(tái)性能優(yōu)良的離心泵。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是在已有的性能較好的泵結(jié)構(gòu)中選型，根據(jù)需要調(diào)整各結(jié)構(gòu)參數(shù)，加工生產(chǎn)后進(jìn)行泵水力試驗(yàn)，用揚(yáng)程、效率等外特性判斷泵性能的優(yōu)劣以及是否需要再優(yōu)化設(shè)計(jì)。但外特性是泵各結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合作用的結(jié)果，對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，僅有這些外特性參數(shù)不能精確定位優(yōu)化機(jī)理，再優(yōu)化措施存在盲目性和不確定性，因而常需要多次反復(fù)，事倍功半。

隨著液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)等越來(lái)越需要采用流量小、揚(yáng)程高、轉(zhuǎn)速高、性能和可靠性高的超低比轉(zhuǎn)速離心泵。但超低比轉(zhuǎn)速離心泵普遍具有效率偏低、工作穩(wěn)定性差的問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)更加需要采取準(zhǔn)確的、具有針對(duì)性的合理優(yōu)化措施，以盡可能提高泵的效率，拓展泵穩(wěn)定工作的流量范圍。為此，在設(shè)計(jì)一臺(tái)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用帶前置誘導(dǎo)輪的高速高揚(yáng)程小流量超低比轉(zhuǎn)速離心泵時(shí)，運(yùn)用FLUENT流體計(jì)算軟件及GAMBIT前處理軟件作為工具，采用三維K-ε雙模型方程對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，從優(yōu)化泵內(nèi)流動(dòng)特性的角度出發(fā)，根據(jù)模擬仿真結(jié)果，確定合理的優(yōu)化措施，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一臺(tái)高揚(yáng)程、高效率、能在大流量范圍穩(wěn)定工作的超低比轉(zhuǎn)速離心泵。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)要求，泵轉(zhuǎn)速nw=35000 r/min，比轉(zhuǎn)速ns=22，屬于高速高揚(yáng)程超低比轉(zhuǎn)速離心泵。

2 優(yōu)化前離心泵結(jié)構(gòu)

對(duì)超低比轉(zhuǎn)速泵來(lái)講，用常規(guī)方法設(shè)計(jì)的泵存在效率偏低、小流量工況下工作不穩(wěn)定現(xiàn)象，其典型性能曲線如圖1所示。為了獲得性能滿足要求的離心泵，設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)采用了加大流量設(shè)計(jì)法及面積比原理等常用的低比轉(zhuǎn)速離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[1]，并將離心輪設(shè)計(jì)成大出口角（80°＜β2＜90°）變曲率長(zhǎng)短葉片相間的復(fù)合型離心輪 (見(jiàn)圖2)，離心輪前設(shè)置了等螺距誘導(dǎo)輪。

3 泵內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)特性仿真分析

3.1 計(jì)算模型及邊界條件

以從誘導(dǎo)輪進(jìn)口到蝸殼出口整個(gè)泵內(nèi)流場(chǎng)為計(jì)算區(qū)域，運(yùn)用GAMBIT前處理軟件進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分。針對(duì)計(jì)算域空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，誘導(dǎo)輪、離心輪及蝸殼三大過(guò)流部件結(jié)構(gòu)、尺寸及復(fù)雜程度不同，網(wǎng)格尺寸不便于統(tǒng)一的情況，采用適應(yīng)性非常強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化體網(wǎng)格，分別對(duì)其單獨(dú)劃分網(wǎng)格，各過(guò)流部件內(nèi)采用均勻的網(wǎng)格密度。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格模型如圖3所示。

泵內(nèi)流場(chǎng)模擬主要的邊界有進(jìn)口邊界、出口邊界和壁面邊界。

進(jìn)口采用質(zhì)量流量 (mass flow)進(jìn)口條件。出口采用壓力出口條件。泵流場(chǎng)存在三類壁面邊界條件：軸和葉片以相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)；誘導(dǎo)輪及蝸殼的外壁在絕對(duì)坐標(biāo)中靜止不動(dòng)；離心輪的外邊界條件即離心輪的前后蓋板在絕對(duì)坐標(biāo)系中與葉片、軸以相同速度旋轉(zhuǎn)，而相對(duì)于fluid流體坐標(biāo)系則保持靜止。

3.2 結(jié)果分析

仿真計(jì)算了容積流量Q=Q0額定工況點(diǎn)的泵內(nèi)流動(dòng)特性，結(jié)果顯示，誘導(dǎo)輪與離心輪的連接面上存在明顯的負(fù)壓回流區(qū)（見(jiàn)圖4所示）。而從圖5所示的離心輪旋轉(zhuǎn)面粒子軌跡中也可以看到靠近渦殼隔舌的長(zhǎng)葉片附近有大量的回流和渦流現(xiàn)象，此外在葉片間流道上也有脫壁流，尤其是從短葉片起至出口段脫流現(xiàn)象明顯。

誘導(dǎo)輪出口面和離心輪出口面的壓力、速度見(jiàn)表1。結(jié)果顯示誘導(dǎo)輪出口和離心輪出口的勢(shì)揚(yáng)程系數(shù)都較低，尤其是誘導(dǎo)輪僅0.133。設(shè)計(jì)時(shí)希望兩者的勢(shì)揚(yáng)程比例越大越好，因?yàn)閯?dòng)揚(yáng)程越大則液體流速也越大，在流體從誘導(dǎo)輪出口的軸向速度轉(zhuǎn)化為進(jìn)入離心輪后的徑向速度的過(guò)程中和流體從離心輪出口處很大的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹诓考?shì)能的過(guò)程中的損失都會(huì)很大，導(dǎo)致離心泵水力效率降低。

表1 壓力及速度計(jì)算值Tab.1 Calculated values of pressure and velocity

誘導(dǎo)輪是決定泵抗汽蝕性能的主要因素，誘導(dǎo)輪勢(shì)揚(yáng)程太低，則大流量下就會(huì)出現(xiàn)離心輪進(jìn)口處嚴(yán)重汽蝕而導(dǎo)致泵揚(yáng)程突降的現(xiàn)象（后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，見(jiàn)圖9）。計(jì)算工況下，誘導(dǎo)輪出口靜揚(yáng)程僅0.12 MPa，而且存在明顯的低壓區(qū)，因而需要采取措施提高誘導(dǎo)輪勢(shì)揚(yáng)程和改善誘導(dǎo)輪出口及離心輪進(jìn)口流動(dòng)性。

對(duì)于離心輪，初次設(shè)計(jì)采用大出口角變曲率葉片的初衷是為了提高泵揚(yáng)程系數(shù)，但計(jì)算結(jié)果并不理想（見(jiàn)表1），通過(guò)分析離心輪旋轉(zhuǎn)面粒子軌跡認(rèn)為，增大葉片出口安放角本身會(huì)加重葉片流道的擴(kuò)散程度，造成能量損失的增加，雖然在流道內(nèi)易產(chǎn)生渦流和脫流的部位增添短葉片能改善葉片出口處非工作面附近液流的速度分布情況，一定程度上阻止邊界層的分離和脫流的產(chǎn)生，但由于泵的揚(yáng)程要求非常高，離心輪外徑相對(duì)比較大，變曲率設(shè)計(jì)長(zhǎng)葉片導(dǎo)致整個(gè)流道擴(kuò)散過(guò)于嚴(yán)重，增加的短葉片對(duì)流體的控制力度不大，而且泵流量又非常小，流道擴(kuò)散后，摩擦損失、轉(zhuǎn)彎損失、渦流脫落損失等水力損失所占比例較大，抵消了通過(guò)增大葉片出口角帶來(lái)的提高揚(yáng)程的有效性，因而，需要對(duì)離心輪流道參數(shù)進(jìn)行再次綜合優(yōu)化。

4 優(yōu)化措施及仿真分析

針對(duì)第一次設(shè)計(jì)的帶前置誘導(dǎo)輪的超低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果反映出的問(wèn)題，分別采取了改善誘導(dǎo)輪及離心輪流場(chǎng)的針對(duì)性優(yōu)化措施。

1）通過(guò)調(diào)整葉柵汽蝕系數(shù)和增加葉尖沖角加大了誘導(dǎo)輪的葉尖直徑和螺距，以提高誘導(dǎo)輪的有效揚(yáng)程。

2）通過(guò)調(diào)整計(jì)算加大了離心輪進(jìn)口直徑和葉片進(jìn)口寬度，適當(dāng)增加葉輪入口沖角和葉輪蓋板進(jìn)口曲率半徑來(lái)改善誘導(dǎo)輪出口和離心輪入口流動(dòng)特性，以提高泵的抗汽蝕性能。

3）將離心輪葉片設(shè)計(jì)成了出口角 β2＜45°的單曲率長(zhǎng)短葉片相間的復(fù)合結(jié)構(gòu)（如圖6）。這樣既能改善葉間流道的擴(kuò)散度又避免了葉輪進(jìn)口橫截面積過(guò)于阻塞。

再次優(yōu)化設(shè)計(jì)后，采用同樣方法對(duì)泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果分別如圖7、圖8和表2所示?？梢钥吹絻?yōu)化效果比較理想，誘導(dǎo)輪出口與離心輪進(jìn)口連接處不但靜壓提高很多，揚(yáng)程系數(shù)由0.133提高至0.264，，而且壓力分布的均勻遞增性也得到了明顯改善。與圖5相比，圖8中離心輪旋轉(zhuǎn)面上基本無(wú)脫流，流動(dòng)特性改善明顯，而且從表2中可以看出泵靜揚(yáng)程比例系數(shù)為0.544，明顯高于表1中的0.476。

表2 壓力及速度計(jì)算值Tab.2 Calculated values of pressure and velocity

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算分析結(jié)果及基于此的優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，將兩次設(shè)計(jì)的結(jié)果均加工成試驗(yàn)件，分別進(jìn)行泵水力試驗(yàn)。揚(yáng)程系數(shù)及效率特性比較曲線見(jiàn)圖9、圖10。

從圖中可以看出：

1）與第一次設(shè)計(jì)的超低比轉(zhuǎn)速泵性能相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)后泵揚(yáng)程系數(shù)曲線平穩(wěn)且高揚(yáng)程范圍寬，在泵工作流量?jī)?nèi)，整個(gè)揚(yáng)程變化極差0.3 MPa，與第一次設(shè)計(jì)的泵大流量下?lián)P程曲線突降情況比較改善顯著。

2）比較效率-流量曲線可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的超低比轉(zhuǎn)速泵效率比較高，最高效率達(dá)到44%，而且各流量點(diǎn)效率均高于第一次設(shè)計(jì)的泵，尤其是在大流量區(qū)域效率較高。對(duì)于比轉(zhuǎn)速ns=22的泵來(lái)說(shuō)，本泵效率性能在同類泵中達(dá)到了較高的水平。

6 結(jié)論

運(yùn)用FLUENT流體計(jì)算軟件及GAMBIT前處理軟件，采用三維K-ε雙模型方程對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)模擬仿真結(jié)果，精確定位需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)部位，然后采取有針對(duì)性的合理措施優(yōu)化設(shè)計(jì)了一臺(tái)高揚(yáng)程、高效率、能在大流量范圍穩(wěn)定工作的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用超低比轉(zhuǎn)速離心泵。

經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，證明采用該方法模擬的泵內(nèi)流動(dòng)特性比較接近真實(shí)流動(dòng)，基于內(nèi)流場(chǎng)分析進(jìn)行高速超低比轉(zhuǎn)速離心泵優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的，而且是快速高效的。

[1]袁壽其.低比速離心泵理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[2]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京:宇航出版社,1995.

[3]朱祖超.超低比轉(zhuǎn)速離心泵設(shè)計(jì)方法 [D].杭州:浙江大學(xué),1997.

[4]郭維,白東安.超低比轉(zhuǎn)速離心泵內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算及分析[J].火箭推進(jìn),2007,33(2):26-30.