變螺距誘導輪出口角對氫泵流場及性能的影響

賀雷 曹耀

摘??要：為了研究變螺距誘導輪出口角對氫泵流場及性能的影響，以某型液體火箭發動機帶變螺距誘導輪的氫泵作為研究對象，選取3種誘導輪出口角（輪緣），分別為12°、14°和16°，采用數值仿真的方法分析了不同誘導輪出口角對氫泵流場分布、水力性能和汽蝕性能的影響，并且進行試驗驗證。結果表明：適當增大誘導輪出口角，可以改善誘導輪出口的流場分布；在一定范圍內增大誘導輪出口角，氫泵不同流量點的揚程和總效率都會獲得提升，但是繼續增大出口角到16°時，氫泵揚程提升效果減弱，且總效率有所下降；隨著誘導輪出口角增大，氫泵的汽蝕性能先提升后降低。

關鍵詞：氫泵??變螺距誘導輪出口角??水力性能??數值仿真

中圖分類號：V245

The?Influence?of?the?Outlet?Angles?of?Variable-Pitch?Inducers?on?the?Flow?Field?and?Performance?of?Hydrogen?Pumps

HE?Lei*??CAO?Yao

（Beijing?Aerospace?Propulsion?Institute，?Beijing，?100076?China）

Abstract：?In?order?to?study?the?effect?of?the?outlet?angles?of?variable-pitch?inducers?on?the?flow?field?and?performance?of?hydrogen?pumps，?this?paper?takes?a?hydrogen?pump?with?the?variable-pitch?inducer?of?a?certain?type?of?liquid?rocket?engine?as?the?research?object，?selects?three?types?of?the?outlet?angles?（wheel?rims）?of?the?inducer，?which?are?12?°，?14?°?and?16?°，?respectively，?uses?the?numerical?simulation?method?to?analyze?the?influence?of?different?outlet?angles?of?the??inducer?on?the?flow?field?distribution，?hydraulic?performance?and?cavitation?performance?of?the?hydrogen?pump，?and?carries?out?experimental?verification.?The?results?show?that?increasing?the?outlet?angle?of?the?inducer?appropriately?can?improve?the?flow?field?distribution?at?the?outlet?of?the?inducer，?increasing?the?outlet?angle?of?the?inducer?within?a?certain?range?can?improve?the?head?and?total?efficiency?of?the?hydrogen?pump?at?different?flow?points，?but?when?the?outlet?angle?is?further?increased?to?16?°，?the?effect?of?improving?the?head?of?the?hydrogen?pump?weakens?and?total?efficiency?decreases，?and?that?the?cavitation?performance?of?the?hydrogen?pump?first?improves?and?then?decreases?with?the?increase?of?the?outlet?angle?of?the?inducer.

Key?Words：?Hydrogen?pump;?Variable-pitch?inducer?outlet?angle;?Hydraulic?performance;?Numerical?simulation

渦輪泵作為泵壓式液體火箭發動機中增壓輸送推進劑的關鍵部件，需具有較好的抗汽蝕能力以適應液體火箭的低儲箱壓力，通常在離心泵前加裝誘導輪結構以獲得較好的汽蝕性能[1～3]，因此誘導輪設計的好壞決定了渦輪泵是否能夠在低箱壓、高轉速下高效、穩定地工作。國內外關于誘導輪建立了比較完善的設計方法，但是對于誘導輪某些幾何參數的選擇仍有待商榷，研究人員針對誘導輪關鍵幾何參數對泵水力和汽蝕性能的影響進行了大量的研究[4～7]，發現誘導輪出口角對氫泵的流場、水力和汽蝕性能都有重要影響。本文以某型液體火箭發動機氫泵為研究對象，氫泵結構包括誘導輪、離心輪和螺殼，其中誘導輪為3葉片前傾結構的變螺距誘導輪。通過數值仿真研究變螺距誘導輪的葉片出口角對泵流場、水力性能及汽蝕性能的影響。

• 誘導輪出口角方案介紹

氫泵變螺距誘導輪的結構方案設計為“入口等螺距段+中間變螺距段+出口等螺距段”。為了研究氫泵誘導輪的出口角對流場分布和性能的影響，根據設計經驗，設計了入口角β1為8.5°，3種不同出口角β2（12°、14°、16°）的誘導輪，β1和β2分別為葉片入口角和出口角。各方案誘導輪的入口、輪轂和輪緣直徑等幾何參數保持相同，匹配的離心輪和螺殼幾何參數不變。

• 計算模型

氫泵計算域采用Ansys?Workbench?Meshing劃分網格，復雜幾何結構區采用非結構化四面體網格，進口管延長區采用六面體網格。誘導輪葉尖和離心輪葉片前緣局部加密，總網格數約為736萬。數值計算采用CFX，選用適用于旋轉機械流動計算的SST?k-ω湍流模型和Zwart空化模型，固體壁面采用無滑移邊界，動靜交界面采用Frozen?Rotor，壓力速度耦合基于SIMPLE的標準壓力修正算法。

• 誘導輪出口角對性能及流場的影響

• 出口角對氫泵水力性能的影響

將三種誘導輪方案與相同離心輪和螺殼匹配的氫泵進行仿真計算，圖1和圖2為誘導輪出口角分別為12°、14°和16°時氫泵的揚程和水力效率曲線，由圖中可知，當誘導輪出口角由12°增大到14°時，氫泵在不同流量點下揚程和水力效率均有明顯的提高；當誘導輪出口角繼續增大到16°時，相比14°出口角的氫泵方案，氫泵在不同流量點下揚程和水力效率僅有小幅的提升。通過仿真結果可知，隨著誘導輪出口角的增大，誘導輪的揚程和水力效率也有所提高，其中誘導輪額定流量點揚程仿真值分別占氫泵總揚程的3.6%、4.6%和5.7%，水力效率仿真值分別是63.9%、69.9%和75.2%。

• 出口角對氫泵汽蝕性能的影響

圖3為氫泵額定流量下，誘導輪出口角為12°、14°和16°的汽蝕特性曲線?？梢钥闯?，以無量綱揚程下降2%時為臨界空化數，誘導輪出口角為12°時，氫泵的臨界空化數約為0.016?6，當誘導輪出口角增大到14°時，氫泵的臨界空化數有微小的變化，約為0.016?4，但是當誘導輪出口角繼續增大到16°時，氫泵的臨界空化數升高到約0.024?8，氫泵的汽蝕性能變差。

為了分析誘導輪出口角對泵汽蝕性能的影響，通過汽蝕工況下的空泡分布比較不同出口角下的汽蝕性能變化情況，圖4為不同出口角下誘導輪與離心輪在空化數為0.025時空泡體積分數大于8%的等值面分布圖。如圖4所示，誘導輪出口角為12°時，誘導輪提供的揚程太小，在誘導輪的入口壓力下降過程中時，誘導輪入口的空泡較少，但是離心輪入口處已經出現空泡，且沿著非工作面向離心輪出口發展，導致氫泵的汽蝕性能較差；當誘導輪出口角為14°時，出口角的增大對誘導輪入口的汽蝕性能影響較小，如圖4所示誘導輪入口的空泡分布與出口角為12°誘導輪的空泡分布相似，同時誘導輪的揚程增大，使得離心輪入口處的空泡有明顯的減少，氫泵的汽蝕性能得到改善；誘導輪出口角為16°時，誘導輪的揚程進一步增大，離心輪入口處僅有少量的空泡，但是誘導輪出口與離心輪入口間出現旋渦，由圖5可知，堵塞了誘導輪出口的過流面積，且誘導輪入口與出口間壓差較高，導致誘導輪入口輪緣泄漏流量增多，入口回流渦強度增強，誘導輪入口處的空泡明顯增多，氫泵的汽蝕性能變差。因此誘導輪出口角對氫泵的抗汽蝕性能影響主要有兩方面：一方面是影響誘導輪入口的汽蝕性能，另一方面是影響離心輪入口的汽蝕性能。誘導輪出口角應與離心輪入口達到較好匹配的狀態，氫泵才能獲得了較好的汽蝕性能。

• 氫泵性能試驗

對上述3種誘導輪方案的氫泵開展試驗研究，采用閉式循環試驗系統，試驗工質為純凈水。

圖6和圖7為不同誘導輪出口角的氫泵揚程和總效率的試驗曲線。由圖中可知，當誘導輪出口角由12°增大到14°時，氫泵的揚程和效率均有明顯的提高，氫泵不同流量點的揚程提高了0.7%～1.3%，不同流量點的效率提升了0.6%～1.4%；當誘導輪出口角繼續增大到16°時，相比誘導輪出口角14°的氫泵，揚程有小幅的提升，但是效率卻有小幅的下降。氫泵揚程和總效率的變化規律與仿真計算值基本保持一致；僅誘導輪出口角為16°時氫泵總效率與仿真值的預估情況不一致，分析是由于仿真時未采用全流場計算，沒有考慮泄漏到離心輪進口的工質對氫泵的效率影響。

• 結論

本文采用數值仿真的方法，分別對誘導輪出口角為12°、14°和16°的某型發動機氫泵進行了流場分布、水力性能和汽蝕性能的仿真分析，并進行了相應氫泵的試驗驗證，得到以下主要結論。

（1）對于變螺距誘導輪，誘導輪出口角較小時，誘導輪出口輪緣處存在旋渦，增大誘導輪的出口角，可消除誘導輪出口輪緣旋渦，并且使得誘導輪出口流量沿半徑方向的分布更加均勻，對誘導輪的流場有較明顯的改善。

（2）適當增加誘導輪出口角，可顯著提高氫泵的揚程和效率，但是誘導輪出口角太大時，氫泵揚程提升的效果降低，且會導致氫泵的效率下降。

（3）當誘導輪出口角較小，無法滿足離心輪不發生汽蝕時，適當增大誘導輪出口角，可以提高氫泵的抗汽蝕性能，但是當誘導輪出口角太大時，會導致氫泵汽蝕性能快速降低。

參考文獻

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