補燃循環(huán)先進上面級過氧化氫/煤油渦輪泵研制

王偉光，陳　暉，陳　煒，杜玉潔

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

補燃循環(huán)先進上面級過氧化氫/煤油渦輪泵研制

王偉光，陳暉，陳煒，杜玉潔

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

過氧化氫/煤油渦輪泵用于35 kN補燃循環(huán)先進上面級發(fā)動機，由過氧化氫泵、煤油泵和渦輪組成，采用渦輪偏置的單軸布局結(jié)構(gòu)。過氧化氫泵為典型的帶誘導(dǎo)輪離心泵形式?；诔捅绒D(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子動力學(xué)方面的考慮，煤油泵采用了部分流泵形式。為了解決軸向力平衡問題并獲得較高的效率，渦輪采用了低壓比小反力度方案。通過材料與工作介質(zhì)的相容性研究，總結(jié)了一整套可操作性強的過氧化氫泵零件相容性評價準(zhǔn)則、選材以及零件鈍化處理工藝等技術(shù)。對渦輪泵聯(lián)試和發(fā)動機熱試車情況進行了分析，并提出了后續(xù)研究的重點方向。

過氧化氫泵；煤油泵；渦輪泵；上面級發(fā)動機

0　引言

在二戰(zhàn)末期，德國首先將過氧化氫應(yīng)用于火箭發(fā)動機。之后，英國、美國、蘇聯(lián)研制了許多過氧化氫/煤油系列發(fā)動機，其中最為知名的是“Gamma”系列［1-2］、“AR”系列［3］以及“RD-510”系列［4］發(fā)動機。在六十年代以后，過氧化氫在雙組元發(fā)動機中的地位逐漸被液氧和四氧化二氮取代。但近年來由于技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)保的要求，情況有了變化。過氧化氫/煤油發(fā)動機再次被設(shè)計出來并且進行了使用。例如：ARRE發(fā)動機和TR108發(fā)動機［5］，在國內(nèi)，35 kN推力的先進上面級補燃循環(huán)發(fā)動機由于采用了過氧化氫/煤油作為推進劑，使用的過氧化氫濃度為90%，高性能及可多次啟動的特點使其具備了長期在軌工作能力。

1　渦輪泵總體設(shè)計

該渦輪泵預(yù)備用于空間軌道轉(zhuǎn)移發(fā)動機，發(fā)動機除了要求較長的在軌時間、無毒以外，還要求盡量提高發(fā)動機比沖。經(jīng)過論證，與相同燃燒室壓力的開式循環(huán)發(fā)動機對比，采用補燃循環(huán)后發(fā)動機比沖將提高4%，因此發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計采用了補燃循環(huán)。渦輪泵也必須適應(yīng)補燃循環(huán)系統(tǒng)帶來的高渦輪腔壓等問題。

對于過氧化氫/煤油發(fā)動機研制來說，渦輪泵屬于關(guān)鍵的核心部件。在對該渦輪泵進行總體設(shè)計之前，研究比較了世界上已有全部的過氧化氫渦輪泵，發(fā)現(xiàn)各種渦輪泵由于研制年代的差異，其總體設(shè)計各有特點，但不論是采用了那一種總體方案，這些渦輪泵設(shè)計時都對于過氧化氫可以催化分解以及受熱發(fā)生鏈?zhǔn)椒纸獾奶匦越o予充分的重視，并采取措施保證其使用安全性。

本課題的渦輪泵由過氧化氫泵、煤油泵、單級部分進氣渦輪組成，采用單軸設(shè)計。過氧化氫泵采用典型的帶誘導(dǎo)輪離心泵形式?；诔捅绒D(zhuǎn)速及總體設(shè)計提高臨界轉(zhuǎn)速的要求，煤油泵采用了部分流泵形式。渦輪采用了低壓比低反力度方案，一方面可以提高渦輪性能，另一方面可以盡量減小渦輪盤上的軸向力。為了減少渦輪組件傳導(dǎo)到過氧化氫泵的熱量，將過氧化氫泵配置在遠離渦輪的一端，將煤油泵配置在渦輪與過氧化氫泵之間。

在渦輪泵總體設(shè)計中遇到的第一個難題是關(guān)于臨界轉(zhuǎn)速。由于經(jīng)費問題以及預(yù)研項目的限制，渦輪軸系為剛性軸設(shè)計，也就是說第一臨界轉(zhuǎn)速必須高于工作轉(zhuǎn)速。由于渦輪工質(zhì)為氧化性氣體，渦輪組件與煤油泵組件之間必須進行絕對隔離。該處動密封采用了3道密封組合的方案，實現(xiàn)了介質(zhì)的絕對隔離，但其軸向長度也很可觀，這就增加了渦輪與支撐軸承的距離，增加了軸系工作中發(fā)生共振的風(fēng)險。在研制中通過適當(dāng)增加軸徑、減少軸上膠圈槽的數(shù)量、縮短2個軸承間距等措施成功解決了這個問題。優(yōu)化設(shè)計后軸系臨界轉(zhuǎn)速高于工作轉(zhuǎn)速30%。

渦輪泵總體設(shè)計要求過氧化氫泵提供足夠的指向渦輪的軸向力，平衡渦輪盤上的大部分軸向力。軸系剩余軸向力恰好可以保證軸承在適當(dāng)載荷下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

渦輪泵的主要設(shè)計指標(biāo)見表1。其中渦輪和2個泵的轉(zhuǎn)速由渦輪泵總體設(shè)計決定，其他參數(shù)由發(fā)動機總體設(shè)計決定。渦輪的轉(zhuǎn)速是一個重要參數(shù)，較高的轉(zhuǎn)速可以提高兩泵的效率和渦輪的功率系數(shù)，所以較高的轉(zhuǎn)速可以明顯降低整個渦輪泵的體積和重量。但是高轉(zhuǎn)速的選取必須建立在轉(zhuǎn)動件結(jié)構(gòu)可靠性的基礎(chǔ)上，同時還要考慮2個泵氣蝕性能和轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速等重要因素。

表1　渦輪泵主要總體設(shè)計參數(shù)Tab.1　Design parameters of turbopump

2個泵的性能試驗以及端面密封和軸承的介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗均在西安航天動力研究所相關(guān)專業(yè)試驗室完成。泵性能試驗采用水代替工作介質(zhì)，過氧化氫泵軸承聯(lián)合運轉(zhuǎn)試驗采用了真實的工作介質(zhì)，即90%濃度的過氧化氫。這些試驗驗證了渦輪泵相關(guān)組件的設(shè)計和生產(chǎn)質(zhì)量，驗證了相關(guān)性能參數(shù)滿足發(fā)動機總體設(shè)計要求。

2　過氧化氫泵設(shè)計

過氧化氫泵的比轉(zhuǎn)速大約為59，十分接近某個已有型號產(chǎn)品。經(jīng)過論證，過氧化氫泵設(shè)計可以將這個型號產(chǎn)品作為模型泵，在此基礎(chǔ)上對泵輪進行相似設(shè)計，并匹配一個新設(shè)計的誘導(dǎo)輪。完成初步設(shè)計后使用軟件對泵流場進行仿真計算及優(yōu)化，見圖1。最終仿真計算結(jié)果為額定流量下，泵出口壓力為11 MPa，泵效率為69%。

圖1　過氧化氫泵流場速度和壓力分布圖Fig.1　Distribution of flow field velocity and pressure in peroxide pump

最終的泵水力試驗驗證了過氧化氫泵的設(shè)計及優(yōu)化結(jié)果，試驗中得到的揚程性能和泵效率參數(shù)完全符合設(shè)計要求。

過氧化氫泵水力試驗項目包括：

1）測試泵的揚程、泵效率和氣蝕性能；

2）測試泵的軸向力；

3）測試過氧化氫泵端面密封腔內(nèi)部壓力；

4）測試軸承及端面密封冷卻流量。

泵水力試驗中測得的氣蝕性能優(yōu)于設(shè)計預(yù)期值，裕度充足。準(zhǔn)確測得過氧化氫泵端面密封腔壓力以及軸承和端面密封的冷卻流量，并通過改進相關(guān)結(jié)構(gòu)保證其滿足設(shè)計要求是保證過氧化氫/煤油渦輪泵安全性和可靠性的一項重要工作。

在過氧化氫泵研制中最關(guān)注的是如何保證離心泵在過氧化氫介質(zhì)中運轉(zhuǎn)的安全性。歷史上不乏過氧化氫的安全性問題迫使項目下馬的先例，如美國的LR-40發(fā)動機［6］，總共生產(chǎn)了2臺，其中1臺在試驗后的清泄過程中發(fā)生了爆炸，至少造成1名人員死亡。下面是本課題解決這個問題的主要措施。

1）保證過氧化氫泵零組件材料選擇的正確性；

2）確保端面密封和軸承可靠運轉(zhuǎn)的安全余量。

過氧化氫泵零件材料選擇是建立在活性氧損失試驗的基礎(chǔ)上 （AOL），相關(guān)評級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

通過這項研究取得的經(jīng)驗是1級材料 （例如氟塑料）和2級材料 （例如1Cr18Ni9Ti）在過氧化氫泵中應(yīng)用是安全的。對于材料性能要求較高，又沒有合適的1級或2級材料可以選擇，只要其零件體積很小數(shù)量也少，3級材料也可以使用，但同時要提高其零件的表面粗糙度要求。不論何種情況，4級材料嚴格禁止使用。

表2　過氧化氫泵零件材料相容性評級標(biāo)準(zhǔn)Tab.2　Rating standard for material compatibility of peroxide pump

基于材料與過氧化氫的相容性研究，完成了過氧化氫泵零件的選材。泵的主要零件由不銹鋼制造，包括泵殼體、泵輪、誘導(dǎo)輪。泵輪的前后密封環(huán)由氟塑料制造。

研究還發(fā)現(xiàn)過氧化氫泵金屬零件在使用前的清洗及鈍化過程和材料選擇是同等重要的。在這個過程中將清除零件表面的所有污染物并在零件表面生成一層鈍化膜。對于非金屬零件只需要進行清洗，但要選擇適合的清洗劑避免損傷非金屬零件。不同材料的金屬零件需要使用不同的鈍化工藝，確保生成鈍化膜的同時不會過度腐蝕零件表面。完成鈍化和清洗的零件需要進行過氧化氫浸泡試驗，檢驗鈍化和清洗的效果。最后再次進行清洗和烘干，密封包裝后備用。

3　煤油泵設(shè)計

煤油泵比轉(zhuǎn)速為33，屬于超低比轉(zhuǎn)速泵。因此，煤油泵采用了部分流泵設(shè)計［7］，前置誘導(dǎo)輪。完成初步設(shè)計后使用軟件對泵流場進行仿真計算及優(yōu)化，見圖2。最終仿真計算結(jié)果：在額定流量下，泵出口壓力為6.8 MPa，泵效率為38%。

在低比轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，部分流泵除了比普通離心泵的效率更高外還有以下優(yōu)勢：

1）工作中不產(chǎn)生軸向力；

2）泵輪不需要前后密封結(jié)構(gòu)，因此軸向長度更短；

3）結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，結(jié)構(gòu)可靠性更高。

最終的泵水力試驗驗證了煤油泵的設(shè)計及優(yōu)化結(jié)果。煤油泵水力試驗中得到的泵揚程和效率參數(shù)完全符合設(shè)計要求。泵水力試驗中測得的氣蝕性能優(yōu)于設(shè)計預(yù)期值，氣蝕性能裕度充足。

圖2　煤油泵流場速度和壓力分布圖Fig.2　Distribution of flow field velocity and pressure in kerosene pump

4　渦輪組件設(shè)計

與許多渦輪泵一樣，該過氧化氫/煤油渦輪泵也采用了一個單級部分進氣渦輪。由于發(fā)動機設(shè)計采用了補燃循環(huán)系統(tǒng)，渦輪壓比僅有1.24。當(dāng)渦輪腔壓力達到設(shè)計值時，渦輪盤上的軸向力將超過6 kN，遠遠超過了渦輪泵主軸承的承載能力。渦輪采用小反力度設(shè)計，使得渦輪盤進氣側(cè)的壓力略高于排氣側(cè)，抵消了大部分由于渦輪盤進氣和排氣側(cè)軸頭面積差產(chǎn)生的軸向力。另一方面該設(shè)計方法也提高了渦輪效率，圖3展示了渦輪性能的CFD優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，計算渦輪效率為0.608與試車實測效率0.60基本一致。渦輪殼體、渦輪噴嘴、渦輪轉(zhuǎn)子、排氣管均由高溫合金制造。渦輪葉片采用無葉冠的直葉片設(shè)計，便于電解加工成型。

圖3　渦輪噴嘴及動葉通道內(nèi)流場速度分布圖Fig.3　Distribution of flow field velocity and pressure in pump nozzle and rotational flow channels

為了盡量提高轉(zhuǎn)子軸系的臨界轉(zhuǎn)速，在保證轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，將渦輪葉片的寬度優(yōu)化到最小，將渦輪盤厚度優(yōu)化到最薄。

由于發(fā)動機總體給定的渦輪排氣管空間尺寸十分局促，使得設(shè)計者必須考慮排氣管的流阻損失。為此對排氣管進行了大量的CFD優(yōu)化設(shè)計工作，最終將排氣管流阻的損失降低到0.1MPa以下，保證了渦輪可以在設(shè)計壓比下工作，提供足夠的軸功率。

由于渦輪工質(zhì)是過氧化氫催化分解的高溫氣體，其中包含了1/3氧氣，渦輪轉(zhuǎn)子葉片必須承受這種溫度為1 023 K氧化性氣體的沖刷。為此選擇了一種具有突出抗高溫氧化能力的鎳基合金作為渦輪轉(zhuǎn)子的材料。此外還準(zhǔn)備了一個在渦輪動葉上涂覆搪瓷涂層的備份方案。使用真實的渦輪工質(zhì)對帶搪瓷涂層和不帶搪瓷涂層的試樣進行了沖蝕對比試驗。試驗結(jié)果表明帶搪瓷涂層和不帶搪瓷涂層的試樣在經(jīng)過燃氣沖刷后，表面都沒有被沖蝕，機械性能也沒有差異。

5　端面密封設(shè)計及軸承選配

過氧化氫泵和煤油泵之間配置一個組合式動密封確保兩泵介質(zhì)絕對隔離。直接接觸過氧化氫介質(zhì)的動密封是一個通用形式的彈簧式端面密封，但零件材料根據(jù)與過氧化氫的相容性試驗進行篩選，冷卻通道部分結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，確保軸承和端面密封有充足的冷卻流量并且無積液死腔。軸承也根據(jù)與過氧化氫的相容性試驗進行了篩選。

軸承和端面密封在介質(zhì)中運轉(zhuǎn)的安全性通過介質(zhì)運轉(zhuǎn)試驗進行驗證。試驗轉(zhuǎn)速高于實際工作轉(zhuǎn)速9%。試驗先采用水作為介質(zhì)進行試運轉(zhuǎn)，確認軸承和端面密封的溫升在安全范圍內(nèi)。最后采用真實的過氧化氫介質(zhì)進行多次啟動模式的長時間運轉(zhuǎn)試驗。通過這項研究確認了所選擇的特種不銹鋼及陶瓷等材料適用于過氧化氫泵的端面密封及軸承，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須保證軸承和端面密封具有通暢無死角的冷卻通道和充足的冷卻流量。

另外一個組合式動密封被配置在渦輪與煤油泵之間，同樣要求絕對隔離兩側(cè)的介質(zhì)。由于發(fā)動機采用了補燃循環(huán)，渦輪腔壓高于燃燒室壓力，這對動密封的設(shè)計提出了更高的要求。為了適應(yīng)高溫、高壓、絕對隔離渦輪與煤油泵介質(zhì)的工作條件，設(shè)計者串聯(lián)了三種形式的動密封，由煤油泵至渦輪依次為彈簧式端面密封、非接觸式端面密封、浮環(huán)式密封。并使用高壓惰性氣體（高于渦輪腔壓）作為隔離介質(zhì)，將該氣體引入非接觸端面密封與浮環(huán)密封之間，并通過浮動環(huán)排泄至渦輪腔。

6　渦輪泵熱試車

該渦輪泵進行了2個階段的熱試車∶第1階段是沒有發(fā)動機燃燒室參與的半系統(tǒng)試車，驗證渦輪泵的性能以及與預(yù)燃室的工作協(xié)調(diào)性；第2階段是發(fā)動機全系統(tǒng)的熱試車，驗證渦輪泵在真實發(fā)動機工作環(huán)境下的性能和可靠性。

在半系統(tǒng)試車中將渦輪泵調(diào)整為低工況工作，轉(zhuǎn)速調(diào)整值為24 275 r/min，略低于渦輪泵設(shè)計轉(zhuǎn)速。試車中實測渦輪泵轉(zhuǎn)速為24 000 r/min，試車持續(xù)時間為50 s。試車后對渦輪泵所有零組件進行了全面檢查。軸承光亮如新，各個動密封均未測量到磨損，渦輪轉(zhuǎn)子葉片沒有氧化沖蝕跡象，熒光檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋等問題，其余零件均進行了表面檢查及密封性檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常情況。這些零件被再次組裝成渦輪泵，參加了4個月后的發(fā)動機整機試車。

發(fā)動機熱試車中渦輪泵轉(zhuǎn)速的調(diào)整值為26 370 r/min，試車中實測渦輪泵轉(zhuǎn)速為27 000 r/min，熱試車持續(xù)時間為50 s。在一天中發(fā)動機不分解不下試驗臺連續(xù)進行了4次熱試車。試車后對渦輪泵進行分解檢查，所有零件的狀態(tài)均正常，可以再次使用。

7　后續(xù)研究內(nèi)容

通過該渦輪泵的研制，掌握了過氧化氫/煤油補燃循環(huán)渦輪泵研制的關(guān)鍵技術(shù)。下一步研究的重點是使用更高濃度的過氧化氫及更高的燃燒室壓力，爭取將發(fā)動機比沖提高10 s。相同的研究方法同樣適用于使用更高濃度過氧化氫的渦輪泵。渦輪組件、兩泵及端面密封均需要進行改進，以適應(yīng)更高的發(fā)動機系統(tǒng)壓力要求。

8　結(jié)束語

35 kN過氧化氫/煤油補燃循環(huán)發(fā)動機渦輪泵由西安航天動力研究所研制成功，其研制過程具有典型性和代表性，包含了材料相容性研究、總體方案設(shè)計與優(yōu)化、組件仿真設(shè)計及優(yōu)化、關(guān)鍵技術(shù)試驗驗證、渦輪泵聯(lián)試、整機試車驗證等全部研制內(nèi)容。研制中遵循了繼承與創(chuàng)新結(jié)合，仿真計算與經(jīng)驗修正結(jié)合的原則。由于普遍應(yīng)用了仿真優(yōu)化技術(shù)，大大縮短了研制周期，所有驗證試驗均一次成功。在研制過程中掌握了適應(yīng)于過氧化氫的離心泵、端面密封、軸承的設(shè)計方法。通過優(yōu)化設(shè)計提高軸系臨界轉(zhuǎn)速，增加了渦輪泵可靠性。通過小反力度渦輪設(shè)計解決了補燃循環(huán)造成的大量級渦輪盤軸向力問題。通過熱試車驗證了渦輪泵適應(yīng)過氧化氫介質(zhì)并且具有多次起動工作的能力，各項性能符合發(fā)動機總體要求。其研究經(jīng)驗和關(guān)鍵技術(shù)同樣適用于后續(xù)更高濃度過氧化氫和更高系統(tǒng)壓力要求的渦輪泵研制。

［1］ANDREWS David.Advantages of hydrogen peroxide as a rocket oxidant［J］.JBIS，1990，43（7）：319-328.

［2］中國航天工業(yè)總公司，世界導(dǎo)彈與航天發(fā)動機大全［M］.北京：軍事科學(xué)出版社，1999.

［3］BUTLER Kathleen N.AR2-3 engine refurbishment and gas generator testing，AIAA-99-2738［R］.USA：AIAA，1999.

［4］ARKHANGELSKY V I.History of development of hydrogen peroxide LPRE at NPO energomash，IAC-05-E4. 3.01［R］.［S.l.］：IAC，2005.

［5］KIM P Y，MAJAMAKIT A.Design and development testing of the TR108：a 30Klbf-thrust-level hydrogen peroxide/hydrocarbon pump-fed engine，AIAA 2005-3566［R］. USA：AIAA，2005.

［6］VENTURA M，WERNIMONT E.History of the reaction motors super performance 90%H2O2/kerosene LR-40 rocket engine，AIAA-01-3838［R］.USA：AIAA，2001.

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

（編輯：陳紅霞）

Development of a peroxide/kerosene turbopump for afterburning cycle for advanced upper stage engine

WANG Weiguang，CHEN Hui，CHEN Wei，DU Yujie
（Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China）

Turbopump for a 35 kN-thrust-level peroxide/kerosene advanced upper stage engine with afterburning cycle has been developed.The whole assembly consists of peroxide pump，kerosene pump，turbopump，and bias turbine mounted on homotaxial.The peroxide pump is a typical centrifugal pump form with an inducer.The kerosene pump adopts the split flow pump due to its low specific speed and correspondingrotor dynamics.The smaller pressure ratio and lower reaction rate are selected in the turbine design to get higher performance and reasonable axial force.Based on the studies of compatibility between materials and working fluid，the compatibility evaluation criteria，material selection and passivation processing were summarized.The results of the turbopump tests and engine hot-fire tests were analyzed，and suggestions on further research were made.

hydrogen peroxide pump；kerosene pump；turbopump；upper stage engine

V434-34

A

1672-9374（2016）02-0001-05

2015-07-20；

2016-01-25

國家863項目（2011AA702303）

王偉光（1972—），男，碩士，高級工程師，研究領(lǐng)域為渦輪泵設(shè)計