蝸殼喉部面積對泵性能的影響研究

于 晴，王曉鋒，張 聃，李惠敏

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

蝸殼喉部面積對泵性能的影響研究

于 晴，王曉鋒，張 聃，李惠敏

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

在某型液體火箭發(fā)動機研制中，為了適應(yīng)發(fā)動機推力的提升，需要對泵結(jié)構(gòu)進行適應(yīng)性改進?；诿娣e比原理對泵壓式液體火箭發(fā)動機泵蝸殼喉部與葉輪的匹配進行設(shè)計與研究。采用數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合的方法研究了蝸殼喉部面積變化對泵性能的影響。分別對兩種不同面積比的泵模型進行計算分析，結(jié)果表明:在高效區(qū)范圍內(nèi)，隨著蝸殼喉部與葉輪出口面積比值的增大，泵的揚程和效率均有所提高，試驗結(jié)果與計算結(jié)果也較為吻合。因此，蝸殼喉部面積擴大后，與葉輪匹配性有所改善，可以適應(yīng)發(fā)動機推力提升的要求，結(jié)構(gòu)改動簡單易行，而且對已制品可以進行返修，減少經(jīng)濟損失。

液體火箭發(fā)動機；泵；蝸殼喉部面積；發(fā)動機推力；數(shù)值模擬

0 引言

隨著戰(zhàn)略武器的發(fā)展和航天活動的需要，液體火箭發(fā)動機技術(shù)近些年得到了飛速發(fā)展。渦輪泵是供應(yīng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，為發(fā)動機燃燒室提供高壓推進劑，有發(fā)動機“心臟”之稱。具備高性能的渦輪泵系統(tǒng)是實現(xiàn)泵壓式液體火箭發(fā)動機高性能的重要先決條件之一，渦輪泵的性能和可靠性將直接影響發(fā)動機乃至航天運載器的運載能力和可靠性。其中葉輪和蝸殼是泵過流部件的核心。

某型液體火箭發(fā)動機研制中，為了適應(yīng)發(fā)動機的推力提升，對泵吸水室、誘導(dǎo)輪及葉輪等零件進行了結(jié)構(gòu)改進，而泵殼體未作更改。水力試驗時，連續(xù)出現(xiàn)泵揚程偏低的現(xiàn)象。對設(shè)計參數(shù)分析認(rèn)為，推力提高后泵殼體的喉部面積略顯偏小，泵殼體可能并非葉輪的最佳匹配結(jié)構(gòu)。

目前，關(guān)于高效率、高揚程的葉輪設(shè)計研究較多，但高性能的泵不但要求有高效的葉輪，而且還需要與葉輪匹配的蝸殼。忽略過流部件之間的匹配關(guān)系也會對產(chǎn)品性能造成影響。王洋等[1]通過確定離心泵蝸殼第八斷面面積新方法，發(fā)現(xiàn)蝸殼喉部面積是影響泵性能的敏感因素。李海權(quán)[2]提出了通過選擇合適的喉部面積能使泵在大流量工況獲得陡降的揚程—流量曲線，從而使泵的運行更加穩(wěn)定。施衛(wèi)東等[3]對低比轉(zhuǎn)速離心式消防泵進行設(shè)計與試驗研究，試驗結(jié)果表明增大喉部面積有利于獲得平坦的性能曲線， 同時可以擴大高效區(qū)范圍和提高最高效率。張翠儒等[4]對液體火箭上面級發(fā)動機用超低比轉(zhuǎn)數(shù)泵進行研究時，參考超低比轉(zhuǎn)數(shù)泵面積比設(shè)計法選取蝸殼喉部速度系數(shù)，合理匹配蝸殼的喉部面積和離心輪，減少水力損失。H.H.Anderson早期在文獻中首次提出了離心泵的面積比原理[5]，指出蝸殼的喉部面積與葉輪出口葉片間的總面積之比是控制離心泵性能的重要因素，同時還給出了面積比與比轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。R.C.Worster通過詳細(xì)的理論分析和數(shù)學(xué)證明，驗證了面積比原理的科學(xué)性[6]。趙瑞勇等[7]基于面積比原理對某型變工況低比轉(zhuǎn)速燃料泵開展了小流量揚程特性不穩(wěn)定的試驗研究，獲得了變工況低比轉(zhuǎn)速泵的小流量不穩(wěn)定工程控制方法及其穩(wěn)定工作邊界，袁壽其等[8]對面積比原理進行了理論推導(dǎo)和試驗研究，明確了面積比對泵性能的影響，楊軍虎[9-10]等推導(dǎo)了離心泵面積比的計算公式，體現(xiàn)了面積比值和葉輪、蝸殼的水力參數(shù)關(guān)系。

針對某型液體火箭發(fā)動機在推力提高后，泵揚程出現(xiàn)偏低的問題，本文利用面積比原理分析、CFD仿真計算后，確認(rèn)了泵蝸殼喉部面積對泵性能的影響，并對殼體改進后的產(chǎn)品進行了試驗驗證。

1 研究對象

某型液體火箭發(fā)動機燃料泵比轉(zhuǎn)速ns為31.388。

葉輪出口葉片間的總面積根據(jù)公式(1)近似求得，其計算結(jié)果為2297.45 mm2：

F2=(πD2sinβ2-zδ2)b2

(1)

泵殼體蝸殼喉部實際當(dāng)量尺寸為12.67 mm，喉部面積F3實測值為141.48 mm2，面積比Y=F3/F2=0.062。

國內(nèi)學(xué)者根據(jù)對166臺國產(chǎn)泵統(tǒng)計，得到了面積比與比轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線[11]，如圖1所示，并通過最小二乘法原理擬合出兩者的關(guān)系式：Y=0.036 849+0.002 31ns。據(jù)此算得該泵面積比的高效值Y=0.109，從圖1中可以看到泵殼體改進前的面積比仍在高效區(qū)范圍內(nèi)，但偏高效區(qū)下界線。

初步分析認(rèn)為，面積比仍有增大的空間，可以通過增大面積比提高泵揚程，從而改善燃料泵的性能。

為此，對泵殼體局部結(jié)構(gòu)進行改進，將蝸殼喉部當(dāng)量尺寸擴大為14 mm，喉部面積F3為188.26 mm2，面積比Y=F3/F2=0.082。

2 仿真分析

2.1 三維造型與網(wǎng)格劃分

采用Pro/E軟件建立兩個不同面積比的流體域模型，考慮到實際產(chǎn)品喉部局部結(jié)構(gòu)不規(guī)則，模型1按喉部當(dāng)量尺寸為13 mm進行建模(喉部面積為161.27 mm2)，模型2按喉部當(dāng)量尺寸為14 mm進行建模(喉部面積為188.26 mm2)，蝸道半徑相關(guān)尺寸也隨之變化，除此之外兩個流體域模型其他結(jié)構(gòu)尺寸均一致，蝸殼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了減小邊界條件對計算結(jié)果的影響，泵進口延長了100 mm，泵出口延長了300 mm，采用ANSYS軟件中的mesh模塊分別對兩個過流部件的流體域模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示，兩個流體域模型各個過流部件的網(wǎng)格單元的數(shù)目見表1。

2.2 計算方法與邊界條件

為了能夠準(zhǔn)確描述泵內(nèi)流體復(fù)雜的三維旋轉(zhuǎn)流動過程，針對RANS時均化的3D瞬態(tài)N-S方程進行非定常求解。其中，湍流模型采用的是SSTk-ω兩方程模型。邊界條件設(shè)置中，入口邊界條件給定靜壓；出口邊界條件給定質(zhì)量流量；

模型進口吸水室轉(zhuǎn)子蝸殼出口119067622713169553427706342839219943625838178010928674144999

泵結(jié)構(gòu)中的固體壁面采用無滑移邊界條件，其中，吸水室和轉(zhuǎn)子表面粗糙度為0.003 2，蝸殼表面粗糙度為0.001 6；而計算中附加的進出口延長部分則認(rèn)為是光滑壁面。

具體的計算過程中，第一步，針對不同的出口流量值，首先進行定常計算，初步得到一個近似的穩(wěn)態(tài)流場；第二步，將定常計算的結(jié)果作為非定常計算初始值，開始非定常精確求解過程。其中，將葉輪旋轉(zhuǎn)一周的時間記為T，非定常計算中的物理時間步長取為葉輪旋轉(zhuǎn)一周時間的1/180，對應(yīng)時間步為Δt=T/180=2.380 95×10-5，而每個時間步長內(nèi)的內(nèi)迭代次數(shù)設(shè)置為30。

2.3 數(shù)值計算性能預(yù)測

針對上述模型1和模型2對5個流量工況進行對比計算，具體為0.8qv，0.9qv，1.0qv，1.1qv，1.2qv。不同流量下，泵的揚程和效率隨蝸殼喉部面積的變化情況如圖4所示。

可以看到，在0.9qv以上的工況點，蝸殼喉部面積增大后，泵的揚程和效率均提高；隨著泵流量的增大，兩者提高的幅度均越來越大。

3 試驗驗證

3.1 改進產(chǎn)品

通過上述分析可以看到，增大蝸殼喉部面積可以提高泵的效率和揚程，因此，采用電火花加工對產(chǎn)品蝸殼喉部進行返修擴大，返修后測量其蝸殼喉部當(dāng)量尺寸實際值為14.75 mm，喉部面積F3實測值為199.7 mm2，面積比Y=F3/F2=0.087，與三維數(shù)值仿真計算模型2相當(dāng)。

3.2 試驗結(jié)果分析

為了驗證產(chǎn)品的改進效果，在泵蝸殼喉部返修前和返修后分別進行了水力試驗，試驗在同一試驗臺進行，兩次試驗轉(zhuǎn)速和工況保持一致，泵流量從1.2qv連續(xù)下降至0.8qv，在該區(qū)間均勻取5個工況點，測量這5個流量點的泵揚程和功率，試驗結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)試驗結(jié)果可以看到，在泵設(shè)計工況下，蝸殼喉部面積增大后，泵的揚程和效率均提高，其中，泵揚程增大幅度約為0.2～0.3 MPa；并且隨著泵流量的增大，改善效果更明顯。由于數(shù)值計算中的效率只考慮了水力效率，而沒有考慮容積損失和摩擦損失，因此試驗所得的泵效率相對計算結(jié)果要略低，但二者趨勢一致，可以很好的驗證數(shù)值計算的可靠性。

隨著蝸殼喉部面積的增大，面積比增大，更有利于蝸殼收集流體并使流體動能轉(zhuǎn)換為壓力能，因此揚程會有所提高。同時，由于蝸殼喉部面積的增大，流體的速度值減小，蝸殼喉部隔舌部位的沖擊損失和出口錐管的沿程損失也隨之減少。因此可以看到，在喉部面積擴大后，蝸殼與葉輪匹配性有所改善，即增大面積比可提高泵的效率和揚程。

4 結(jié)論

1)在高效區(qū)范圍內(nèi)，隨著蝸殼喉部與葉輪出口面積比值的增大，泵的揚程和效率均有所提高，可以適應(yīng)發(fā)動機推力提升的要求。

2)蝸殼喉部面積擴大后，蝸殼與葉輪匹配性有所改善，喉部速比(蝸殼喉部流速與葉輪出口切向速度之比)介于液體火箭發(fā)動機泵推薦設(shè)計值范圍內(nèi)，產(chǎn)品改進有效。

3) 為了使泵揚程滿足要求，適當(dāng)加大蝸殼喉部當(dāng)量尺寸，而葉輪等其它部件的結(jié)構(gòu)尺寸可以保持不變，結(jié)構(gòu)改動簡單易行，同時，對于已制品可以進行返修擴大達(dá)到使用要求，減少經(jīng)濟損失。

4) 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗研究結(jié)果較吻合，研究結(jié)果表明面積比原理在液體火箭發(fā)動機泵的設(shè)計應(yīng)用中有著重要的指導(dǎo)意義。

[1] 王洋，張翔. 低比轉(zhuǎn)速離心泵蝸殼第八斷面面積確定新方法[J]. 排灌機械， 2008， 26(1)： 29-32.

[2] 李海權(quán). 離心泵蝸殼喉部面積對泵性能的影響[J]. 通用機械， 2003(11)： 41-43.

[3] 施衛(wèi)東，張德勝.低比速離心式消防泵的設(shè)計與試驗研究[J]. 中國機械工程， 2009， 20(5)： 514-517.

[4] 張翠儒，白東安，郭維.液體火箭上面級發(fā)動機用超低比轉(zhuǎn)數(shù)泵研究[J].火箭推進， 2005， 31(2): 17-22.

ZHANG Cuiru， BAI dong’an， GUO Wei. Research on ultra-low-specific-speed rotation pump for upper stage engine [J]. Journal of rocket propulsion， 2005， 31(2)：17-22.

[5] ANDERSON H H. Mine pumps [J].Journal ofmining society， 1984(6)：34-38.

[6] WORSTER R C. The flow in volutes and its effects on centrifugal pump performance[J]. Proc mech E， 1963， 177(31)：50-60.

[7] 趙瑞勇，張翠儒，劉軍年，張晶輝.面積比對變工況泵性能穩(wěn)定性影響的研究[J].火箭推進，2016， 42(4): 35-40.

ZHAO Ruiyong， ZHANG Cuiru， LIU Junnian， et al. Investigation on influence of different area ratio on stability of centrifugal pump with variable working conditions [J]. Journal of rocket propulsion， 2016， 42(4)：35-40.

[8] 袁壽其，曹武陵，陳次昌.面積比原理和泵的性能[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 1993， 24(2): 36-40.

[9] 楊軍虎，張人會，王春龍，等.低比轉(zhuǎn)速離心泵的面積比原理[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報， 2006， 32(5): 53-55.

[10] 楊軍虎，張人會，王春龍，等.計算離心泵面積比和蝸殼面積的方法[J].機械工程學(xué)報， 2006， 42(9): 67-70.

[11] 關(guān)醒凡. 泵的理論與設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 1987.

Effect of volute throat area on pump performance

YU Qing， WANG Xiaofeng， ZHANG Dan， LI Huimin

(Xi’an Aerospace Propulsion Institute， Xi’an 710100， China)

During the development of a certain liquid rocket engine， the adaptability improvement of the pump structure needs to be realized to promote the thrust of the engine. Based on the area ratio principle， the match of the volute throat and impeller in the turbopump-fed liquid rocket engine is designed and studied in this paper. The influence of the variation of volute throat area on pump performance is studied by using the method of combining numerical simulation with experimental research. The pump models with two different area ratios were analyzed. The results indicate that， in the range of the high efficiency， both the pump lift and efficiency are increased with the increase of area ratio of the volute throat to the impeller outlet. The experimental results are tallied with the calculation results. Thus， the match of the volute throat and the impeller can be improved as the volute throat area is widened， which can satisfy the requirement of the thrust enhancement of the engine. Furthermore， the structure is easy to alter， even the final products can be sent back for modification. It is sure that its cost will be reduced greatly.

liquid rocket engine；pump；volute throat area；engine thrust；numerical simulation

2016-11-29；

2017-09-22

國家重大基礎(chǔ)研究項目(613321)

于晴(1986—)，女，碩士，研究領(lǐng)域為渦輪泵設(shè)計

V434.2-34

A

1672-9374(2017)06-0044-04

(編輯：馬杰)