沈文金，蔣文山，韓英杰

（1. 北京航天動(dòng)力研究所，北京，100076；2. 中國(guó)石油撫順石化公司石油二廠，撫順，113004）

0 引 言

按照中國(guó)載人航天登月需求，目前正在開展低溫下降級(jí)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究。為保證宇航員的安全性，實(shí)現(xiàn)著陸器的月面軟著陸要求，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置渦輪旁通閥，采用燃?xì)夤?yīng)路流量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行 10%～100%深度變推力調(diào)節(jié)。

泵壓式推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中，氧泵將來自貯箱的液氧按一定的流量和壓力輸送到推力室，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)所要求的推力范圍內(nèi)應(yīng)滿足流量、壓力穩(wěn)定及效率高的要求。氧泵水力設(shè)計(jì)是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)額定推力工況進(jìn)行的，此時(shí)泵葉輪葉片不存在介質(zhì)分離，效率較高。發(fā)動(dòng)機(jī)深度變推力調(diào)節(jié)時(shí)，泵將在非設(shè)計(jì)工況條件下工作，介質(zhì)流經(jīng)葉片時(shí)存在沖擊和分離，破壞了內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性，導(dǎo)致氧泵效率降低，發(fā)生失速現(xiàn)象[1～4]，嚴(yán)重影響氧泵性能，無法實(shí)現(xiàn)渦輪泵正常工作，使得發(fā)動(dòng)機(jī)瞬間失去推力，導(dǎo)致飛行任務(wù)失敗。如美國(guó)航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)偏離額定工況工作范圍為65%～109%，但由于65%工況大幅偏離設(shè)計(jì)工況，在預(yù)燃室泵葉片式擴(kuò)壓器葉片入口邊出現(xiàn)流動(dòng)分離失速，導(dǎo)致泵出口壓力突然下降，引起發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降，使得發(fā)動(dòng)機(jī)最低推力工況限制為70%額定推力工況[5]。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的引入，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵方案論證得到了改進(jìn)，方案可靠性大幅提高。本文依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的變推力要求，對(duì)氧泵進(jìn)行變工況流場(chǎng)仿真研究與分析，為發(fā)動(dòng)機(jī)氧泵變工況適應(yīng)性提供理論依據(jù)。

1 氧泵結(jié)構(gòu)

離心泵穩(wěn)定工作流量范圍約為軸流泵的兩倍，提高了變工況工作的適應(yīng)性。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)氧泵采用單級(jí)單吸式離心泵，主要由誘導(dǎo)輪、葉輪和泵殼體組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氧泵結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Oxygen Pump Structural Schematic

氧泵采用軸向進(jìn)口、徑向出口方案，葉輪前增加誘導(dǎo)輪以保證氧泵工作中不產(chǎn)生壓頭汽蝕跌落，誘導(dǎo)輪和葉輪采用直連形式，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，有利于提高泵的效率。泵殼體采用單渦道結(jié)構(gòu)，以避免流量變化時(shí)，在葉片式擴(kuò)壓器導(dǎo)葉入口邊出現(xiàn)沖擊，使流動(dòng)惡化、效率下降。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10%～100%變推力方案論證結(jié)果，確定氧泵性能參數(shù)如表1所示。

表1 氧泵要求性能參數(shù)Tab.1 Operating Parameters of the Oxygen Pump

氧泵按照發(fā)動(dòng)機(jī) 100%工況參數(shù)時(shí)額定流量Qd=17.064 kg/s、揚(yáng)程PΔ=7.056 MPa進(jìn)行一維水力設(shè)計(jì)，其他工況進(jìn)行適應(yīng)性分析。

2 氧泵變工況適應(yīng)性分析

2.1 變工況轉(zhuǎn)速值理論計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，在同一種工作介質(zhì)下，同一臺(tái)渦輪泵的流量和揚(yáng)程關(guān)系為

發(fā)動(dòng)機(jī)變工況推力調(diào)節(jié)時(shí)，推力室所需推進(jìn)劑流量和壓力發(fā)生變化，此時(shí)，泵轉(zhuǎn)速、流量同時(shí)隨之變化，泵內(nèi)部流速改變引起雷諾數(shù)改變，導(dǎo)致泵內(nèi)損失變化，其流量和揚(yáng)程不再滿足式（1）。根據(jù)泵相似定理[7]，有：

將式（1）～（3）聯(lián)立求解可得發(fā)動(dòng)機(jī)變工況時(shí)泵揚(yáng)程隨流量和轉(zhuǎn)速變化的理論計(jì)算式（4），由該式根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下氧泵流量2Q、揚(yáng)程2PΔ求解二次方程即可得到理論工作轉(zhuǎn)速2n。

2.2 額定轉(zhuǎn)速工況仿真分析

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī) 100%推力工況的氧泵一維水力設(shè)計(jì)結(jié)果，建立葉輪、誘導(dǎo)輪和泵殼流體區(qū)域幾何模型，以液氧為介質(zhì)，采用CFX軟件SST k?ε 模型進(jìn)行額定轉(zhuǎn)速為20 000 r/min、流量為0.1～1.2Qd工況范圍的全流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算。邊界條件設(shè)置泵進(jìn)口為壓力進(jìn)口，泵出口為質(zhì)量流量出口，誘導(dǎo)輪和葉輪計(jì)算域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，泵進(jìn)口段和出口殼體采用靜止坐標(biāo)系，壁面采用無滑移邊界條件。

應(yīng)用CFD軟件進(jìn)行泵流場(chǎng)仿真計(jì)算可以得到包括流場(chǎng)分布、揚(yáng)程、效率在內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。葉輪-泵殼內(nèi)部流場(chǎng)流線如圖2所示。從圖2中可以看出，在1.0Qd額定工況下，葉輪-泵殼內(nèi)流線分布均勻，流道中不存在漩渦。在小流量工況下，葉輪入口不再滿足無沖擊進(jìn)口條件，首先在靠近蝸殼隔舌部位的葉片背面產(chǎn)生脫流，形成漩渦。隨著流量進(jìn)一步減小，葉片入口邊沖角增大，產(chǎn)生沖擊，葉片背面脫流加劇，流動(dòng)分離發(fā)展明顯，葉輪流道內(nèi)漩渦數(shù)量不斷增加，并逐漸向遠(yuǎn)離蝸殼隔舌的葉輪流道擴(kuò)散。當(dāng)流量減小至 0.1Qd時(shí)，流動(dòng)分離嚴(yán)重?cái)U(kuò)張，漩渦幾乎占據(jù)了全部葉輪流道[8]。

圖2 額定轉(zhuǎn)速葉輪-泵殼流線圖Fig.2 Impeller and Pump Case Streamlines at Rated Speed

氧泵流量-揚(yáng)程、流量-效率特性曲線如圖3所示。

圖3 額定轉(zhuǎn)速氧泵流量-揚(yáng)程-效率曲線Fig.3 Flow-head- efficiency Curves of the Oxygen Pump at Rated Speed

由圖3可以看出，在0.1Qd～1.2Qd流量范圍內(nèi)，氧泵流量-揚(yáng)程特性曲線均位于負(fù)斜率區(qū)，且具有良好的連續(xù)性，不存在旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象，氧泵在額定轉(zhuǎn)速下的全流量工況范圍內(nèi)可以穩(wěn)定工作。但是，隨液氧流量減小，氧泵工況點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，在漩渦區(qū)不斷擴(kuò)展的作用下，葉輪過流能力不斷惡化，破壞了正常流動(dòng)，水力損失大大增加，氧泵效率顯著降低，導(dǎo)致泵高效率區(qū)范圍較窄，小于0.9Qd工況時(shí)泵效率不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)要求[9]。

擬合氧泵額定轉(zhuǎn)速流量-揚(yáng)程公式為

2.3 變工況仿真分析

發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃?xì)夤?yīng)路流量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行變推力時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)大范圍變推力調(diào)節(jié)，此時(shí)，氧泵流量Q、揚(yáng)程PΔ、轉(zhuǎn)速n同時(shí)變化，泵特性隨之變化。根據(jù)式（4）將氧泵額定轉(zhuǎn)速流量-揚(yáng)程特性曲線關(guān)系式（5）轉(zhuǎn)變?yōu)樽児r轉(zhuǎn)速下泵流量-轉(zhuǎn)速-揚(yáng)程的二元二次多項(xiàng)式，即：

將表1中氧泵流量和揚(yáng)程數(shù)值代入式（6）求解多項(xiàng)式，初步得到不同發(fā)動(dòng)機(jī)推力工況時(shí)的氧泵轉(zhuǎn)速，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 初步計(jì)算變工況氧泵轉(zhuǎn)速Tab.2 Preliminary Calculation Working Speed of the Oxygen Pump at Variable Working Conditions

從表1中流量Q、表2中轉(zhuǎn)速n值作為氧泵流場(chǎng)仿真計(jì)算的初始值，通過變轉(zhuǎn)速 n進(jìn)行流場(chǎng)迭代計(jì)算，使流場(chǎng)計(jì)算的泵揚(yáng)程值逼近表 1中的不同工況下的氧泵揚(yáng)程。由此計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)變工況時(shí)的氧泵工作轉(zhuǎn)速，如表3所示。

表3 變工況氧泵工作轉(zhuǎn)速Tab.3 Working Speed of the Oxygen Pump at Variable Working Conditions

由表3可知，氧泵轉(zhuǎn)速由式（6）解析計(jì)算值與仿真計(jì)算值相對(duì)誤差在4%以內(nèi)，即采用2.1節(jié)中推導(dǎo)的式（4）可以快速、較為準(zhǔn)確地獲得發(fā)動(dòng)機(jī)變工況時(shí)的氧泵轉(zhuǎn)速值，為后續(xù)方案論證中發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪泵變工況適應(yīng)性分析提供可靠依據(jù)。

隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況降低，氧泵工作轉(zhuǎn)速減小，相比額定轉(zhuǎn)速工況葉片入口液流角增大，葉片沖角減小，從而可以改善葉輪介質(zhì)入口條件。變工況條件下泵葉輪-泵殼流場(chǎng)流線如圖4所示。

圖4 變工況葉輪-泵殼流線圖Fig.4 Impeller and Pump Case Streamlines at Variable Working Conditions

氧泵變工況效率曲線如圖5所示。

圖5 氧泵效率曲線Fig.5 Oxygen Pump Efficiency Curves

由圖 5可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍內(nèi)，氧泵效率曲線平穩(wěn)，高效率區(qū)較寬，具有良好的性能穩(wěn)定性和變工況適應(yīng)性，滿足發(fā)動(dòng)機(jī) 10%～100%深度變推力工作要求的目標(biāo)效率。

3 結(jié) 論

本文采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)載人登月艙下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)氧泵進(jìn)行設(shè)計(jì)工況的全流場(chǎng)仿真計(jì)算，擬合流量-揚(yáng)程-轉(zhuǎn)速特性曲線計(jì)算公式，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 10%～100%變推力要求，計(jì)算得到氧泵變工況工作轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行變工況適應(yīng)性仿真研究。結(jié)果表明，相比額定轉(zhuǎn)速變工況流場(chǎng)分布，變轉(zhuǎn)速、變工況時(shí)氧泵流場(chǎng)均勻性大幅提高，葉片流動(dòng)分離顯著降低，氧泵效率曲線平穩(wěn)，高效率區(qū)較寬。氧泵具有良好的性能穩(wěn)定性和變工況適應(yīng)性，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的深度變推力要求。