渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)供水泵設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

柏文峰，李 昆

(中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無(wú)錫214063)

1 引言

新世紀(jì)以來(lái)，空間低成本投送、對(duì)超遠(yuǎn)程目標(biāo)的快速打擊及全球范圍的高速運(yùn)輸?shù)?，都使得?duì)遠(yuǎn)程和高超聲速的空天飛行器的需求日益增加。高超聲速空天飛行器的發(fā)展面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，其中動(dòng)力是決定性因素之一。相比于其他動(dòng)力，渦輪沖壓組合(TBCC)發(fā)動(dòng)機(jī)更符合高超聲速空天飛行器對(duì)動(dòng)力的需求[1]。世界各航空強(qiáng)國(guó)對(duì)此開(kāi)展了大量研究，如美國(guó)的TBCC/RTA計(jì)劃[2-3]、德國(guó)的Sanger計(jì)劃[4]、日本的HYPR計(jì)劃[5]等。但從目前發(fā)展情況看，TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)論是采用串聯(lián)還是并聯(lián)形式，均存在高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、寬?cǎi)R赫數(shù)工作范圍沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)以及綜合熱防護(hù)與熱管理等技術(shù)難題?？紤]到現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，采用射流預(yù)冷系統(tǒng)基于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展空天動(dòng)力研究，對(duì)原渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)繼承性強(qiáng)，改動(dòng)量小，尤其適于發(fā)掘現(xiàn)有型號(hào)的潛力，滿足國(guó)內(nèi)空天飛行器對(duì)動(dòng)力的迫切需要[6]。

作為T(mén)BCC發(fā)動(dòng)機(jī)重要系統(tǒng)之一的射流預(yù)冷系統(tǒng)，其高壓力、大流量離心式供水泵的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。供水泵的主要功能是在射流預(yù)冷系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)所提供的燃油控制打開(kāi)進(jìn)口活門(mén)，提供一定流量與壓力的水；射流預(yù)冷系統(tǒng)不工作時(shí)，進(jìn)口活門(mén)關(guān)閉，另提供自循環(huán)冷卻的水。由于離心泵具有尺寸小、抗氣蝕以及污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7]，被廣泛用于航空以及民用液壓產(chǎn)品中。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)中，離心泵常作為增壓泵使用，但增壓值一般不超過(guò)1.0 MPa。因此，現(xiàn)有的航空產(chǎn)品無(wú)法滿足大流量、高壓力供水泵需求，而這類(lèi)離心泵設(shè)計(jì)方法目前國(guó)內(nèi)鮮有研究。同時(shí)，依據(jù)傳統(tǒng)離心泵設(shè)計(jì)方法，需經(jīng)歷理論計(jì)算[8-9]、模型、樣件、試驗(yàn)、修模再到樣件的循環(huán)設(shè)計(jì)過(guò)程，迭代周期長(zhǎng)，成本較高。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段的提高，特別是CFD技術(shù)[10-11]的成熟，根據(jù)CFD流場(chǎng)仿真結(jié)果修正模型，再進(jìn)行試驗(yàn)，可大大縮短設(shè)計(jì)迭代的時(shí)間。本文以傳統(tǒng)的理論計(jì)算為基礎(chǔ)，借助CFD仿真手段設(shè)計(jì)了供水泵，其結(jié)構(gòu)為非接觸離心式供水泵，可以在任意流量下工作，且沒(méi)有回水循環(huán)，可控制介質(zhì)溫度升高過(guò)快。供水泵的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比證明，設(shè)計(jì)的供水泵滿足設(shè)計(jì)要求，為渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)的研制打下了基礎(chǔ)。

2 供水泵關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

一般而言，射流預(yù)冷系統(tǒng)工作時(shí)，供水泵流量達(dá)18 000 L/h，出口壓力達(dá)5 MPa以上；而不工作時(shí)，流量又接近0。長(zhǎng)時(shí)間旋轉(zhuǎn)但不供水的工況，會(huì)產(chǎn)生大量功耗損失導(dǎo)致溫度升高。因此，需設(shè)計(jì)一組引射器，從葉輪背部引水經(jīng)引射器回水箱進(jìn)行冷卻；同時(shí)在蝸殼表面設(shè)計(jì)一圈冷卻流道，達(dá)到充分散熱的效果。此外，供水泵工作涉及到水、控制用燃油等介質(zhì)，為滿足耐腐蝕要求，供水泵蝸殼選用鋁鎂合金，表面硬質(zhì)陽(yáng)極化處理，葉輪和擴(kuò)散管采用鈦合金材料；為滿足介質(zhì)間的動(dòng)密封要求，選擇格蘭圈與石墨環(huán)機(jī)械密封形式。

2.1 設(shè)計(jì)性能要求

供水泵的主要性能指標(biāo)：泵進(jìn)口壓力0.4～0.5 MPa；泵輸出流量為18 000 L/h時(shí)出口壓力不小于5.4 MPa，泵輸出流量為0時(shí)出口壓力不大于6.0 MPa；泵的最高轉(zhuǎn)速為22 000 r/min，最大傳動(dòng)功率不大于80 kW，工作環(huán)境最高溫度為165℃。

2.2 性能參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)設(shè)計(jì)點(diǎn)

供水泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)為：進(jìn)出口壓差Δp=5 MPa，輸出流量Q=18 000 L/h，額定轉(zhuǎn)速n=22 000 r/min。

(2)揚(yáng)程

式中：ρ為水的密度，g為重力加速度。

(3)比轉(zhuǎn)速

根據(jù)離心泵比轉(zhuǎn)速，可估算泵的總效率η=0.57。

(4)輸入扭矩

2.3 葉輪設(shè)計(jì)

(1)輪轂半徑

式中：[τ]為許用剪切應(yīng)力?？紤]安全余量，取D=33 mm。

(2)進(jìn)口直徑

式中：D0為進(jìn)口當(dāng)量直徑，按照進(jìn)口流速推薦值取44 mm。

(3)出口直徑

離心泵出口圓周速度[8]：

式中：vm2為出口軸面速度；β2為葉片出口角度，取14°；H∞表示無(wú)限葉片數(shù)的揚(yáng)程。

離心泵出口直徑：

(4)葉輪寬度

式中：kb為葉輪出口寬度系數(shù)。

(5)葉片數(shù)

式中：β1為葉片進(jìn)口角度，取21°。

2.4 蝸殼設(shè)計(jì)

(1)基圓直徑

式中：kD3為基圓直徑系數(shù)，取1.09。

(2)進(jìn)口寬度

式中：a為葉輪蓋板厚度；c為常數(shù)，一般為0.002～0.008 m，取0.004 m。(3)斷面面積

式中：v3表示蝸殼中液流速度。

2.5 擴(kuò)散管設(shè)計(jì)

擴(kuò)散管的作用是以最小的損失將葉輪出口的一部分動(dòng)能變成壓力能，使流入壓出管路的水流速滿足要求。為此，擴(kuò)散管的擴(kuò)散角不能過(guò)大，否則水力損失會(huì)增加。擴(kuò)散角一般為8°～12°，取10°。

3 建模與仿真

3.1 模型處理

使用UG軟件繪制供水泵過(guò)流部件結(jié)構(gòu)三維模型(圖1)，并抽取充滿水介質(zhì)的內(nèi)部流道三維模型(圖 2)。

3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

使用流場(chǎng)仿真軟件PumpLinx將供水泵模型切分成不同功能塊，通用功能塊可根據(jù)結(jié)構(gòu)相似自動(dòng)優(yōu)化網(wǎng)格。供水泵屬于離心式葉片泵，主要包括進(jìn)口區(qū)、出口區(qū)和增壓區(qū)三個(gè)功能塊。不同功能塊之間重疊的部分建立交互面，交互面上的流體特性相同。利用PumpLinx對(duì)供水泵的三個(gè)功能區(qū)分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。網(wǎng)格大部分為六面體網(wǎng)格，增壓區(qū)網(wǎng)格密度約為進(jìn)出口區(qū)的2倍。

對(duì)于離心式泵，邊界條件一般設(shè)置進(jìn)口壓力和出口流量，仿真得到出口壓力。此處進(jìn)口壓力設(shè)置為 0.4 MPa，出口流量分別為 1 000、3 000、6 000、16 000、18 000 L/h。

3.3 收斂性準(zhǔn)則

采用PumpLinx進(jìn)行流場(chǎng)仿真。其中，穩(wěn)態(tài)仿真用來(lái)判斷供水泵仿真的收斂性及其流量壓力特性，瞬態(tài)仿真得到供水泵流場(chǎng)隨時(shí)間變化的過(guò)程。對(duì)于瞬態(tài)仿真，每個(gè)仿真步均應(yīng)達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)。用穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果作為初始條件，可大大提高瞬態(tài)仿真的收斂性。PumpLinx使用相對(duì)殘差作為收斂標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于供水泵相對(duì)殘差值一般設(shè)置為0.1。

3.4 仿真結(jié)果

通過(guò)仿真得到供水泵設(shè)計(jì)點(diǎn)的壓力分布，見(jiàn)圖4?？煽闯?，介質(zhì)經(jīng)過(guò)葉輪作用壓力能增大，在出口擴(kuò)散管端進(jìn)一步將速度能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而使供水泵出口壓力持續(xù)增高。

圖5為PumpLinx仿真單時(shí)間步殘差曲線。仿真誤差隨著迭代步數(shù)的增加而逐步降低，經(jīng)過(guò)8步仿真迭代計(jì)算，各性能參數(shù)仿真的相對(duì)誤差均達(dá)到0.1以下，仿真過(guò)程收斂性較好。

仿真得到供水泵出口壓力隨時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，供水泵初始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出口壓力波動(dòng)較大，之后逐漸趨于穩(wěn)定。壓力脈動(dòng)頻率約為1 800 Hz，與根據(jù)供水泵轉(zhuǎn)速及葉輪葉片數(shù)計(jì)算的理論脈動(dòng)頻率1 833 Hz基本一致。供水泵額定轉(zhuǎn)速時(shí)，仿真得到各流量點(diǎn)的出口壓力值，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 壓力-流量特性仿真結(jié)果Table 1 Simulation results of pressure and flow characteristic

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7示出了供水泵性能試驗(yàn)原理圖。水箱里的水經(jīng)過(guò)低壓泵增壓進(jìn)入供水泵進(jìn)口，然后從出口引出，經(jīng)過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥回到水箱中。在供水泵進(jìn)、出口處分別設(shè)置壓力計(jì)1與壓力計(jì)2實(shí)時(shí)測(cè)量進(jìn)口和出口壓力，在出口處設(shè)置流量計(jì)1實(shí)時(shí)測(cè)量出口流量?；拖渲械幕徒?jīng)過(guò)滑油泵進(jìn)入供水泵傳動(dòng)系統(tǒng)以潤(rùn)滑和冷卻軸承。

通過(guò)試驗(yàn)器調(diào)節(jié)低壓泵轉(zhuǎn)速，給定供水泵進(jìn)口壓力為0.4 MPa。測(cè)試了額定轉(zhuǎn)速下不同流量對(duì)應(yīng)的供水泵出口壓力。表2為壓力-流量特性試驗(yàn)結(jié)果。

表2 壓力-流量特性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of pressure and flow characteristic

圖8給出了額定轉(zhuǎn)速時(shí)流量分別為1 000、31 000、61 000、161 000、181 000 L/h下的進(jìn)出口壓差值對(duì)比。由圖可知，5個(gè)流量點(diǎn)下仿真得到的進(jìn)出口壓差平均值為5.02 MPa，試驗(yàn)得到的進(jìn)出口壓差平均值為5.15 MPa，二者誤差較小，為2.6%，可見(jiàn)仿真可信性較高。

對(duì)于離心泵，其揚(yáng)程與流量的理論關(guān)系為：

供水泵額定轉(zhuǎn)速下，根據(jù)下式，流量18 000 L/h與流量0對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程差為92 m。

根據(jù)揚(yáng)程計(jì)算對(duì)應(yīng)的壓差值為0.92 MPa。考慮到非設(shè)計(jì)點(diǎn)下供水泵水力損失較大，小流量情況下出口壓力相比理論值小得多，因此兩流量點(diǎn)之間的實(shí)際壓差相比理論計(jì)算值更小——試驗(yàn)得到供水泵在工作流量范圍內(nèi)進(jìn)出口壓差僅為0.10 MPa。

5 結(jié)論

通過(guò)理論計(jì)算、建模仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，所設(shè)計(jì)的供水泵在泵輸出流量為18 000 L/h時(shí)出口壓力不小于5.4 MPa，達(dá)到了TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)供水泵的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差僅2.6%，具有較高的置信度。此外，對(duì)于離心式泵類(lèi)產(chǎn)品常見(jiàn)的氣蝕等流場(chǎng)現(xiàn)象，隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，后期可以利用流場(chǎng)仿真等方法做進(jìn)一步研究。

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