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        液體火箭發動機用超低比轉速離心泵優化設計

        來源:博山東方水泵    發布時間:2019-02-13 11:24    瀏覽量:

          渦輪泵是泵壓式液體火箭發動機系統的“心臟”,擔負著向發動機推力室主系統及發生器等副系統輸送高壓推進劑的重任,渦輪泵性能的優劣對發動機系統的影響很大,而離心泵特性的好壞決定著渦輪泵的性能。

          離心泵設計過程中需要使用大量經驗系數,因而往往要經過反復優化設計,使其各結構參數達到佳和諧工作狀態才能獲得一臺性能優良的離心泵。傳統的設計方案是在已有的性能較好的泵結構中選型,根據需要調整各結構參數,加工生產后進行泵水力試驗,用揚程、效率等外特性判斷泵性能的優劣以及是否需要再優化設計。但外特性是泵各結構參數綜合作用的結果,對于優化設計來說,僅有這些外特性參數不能定位優化機理,再優化措施存在盲目性和不確定性,因而常需要多次反復,事倍功半。

          隨著液體火箭發動機的發展,上面級發動機等越來越需要采用流量小、揚程高、轉速高、性能和可靠性高的超低比轉速離心泵。但超低比轉速離心泵普遍具有效率偏低、工作穩定性差的問題,優化設計時更加需要采取準確的、具有針對性的合理優化措施,以盡可能提高泵的效率,拓展泵穩定工作的流量范圍。為此,在設計一臺液體火箭發動機用帶前置誘導輪的高速高揚程小流量超低比轉速離心泵時,運用FLUENT流體計算軟件及GAMBIT前處理軟件作為工具,采用三維K-s雙模型方程對其內部流場進行模擬仿真,從優化泵內流動特性的角度出發,根據模擬仿真結果,確定合理的優化措施,優化設計了一臺高揚程、高效率、能在大流量范圍穩定工作的超低比轉速離心泵。

          1設計參數根據發動機系統要求,泵轉速nw=35000r/min,比轉速ns=22,屬于高速高揚程超低比轉速離心泵。

          2優化前離心栗結構對超低比轉速泵來講,用常規方法設計的泵存在效率偏低、小流量工況下工作不穩定現象,其典型性能曲線如所示。為了獲得性能滿足要求的離心泵,設計時已經采用了加大流量設計法及面積比原理等常用的低比轉速離心泵優化設計方法,并將離心輪設計成大出口角(80.<82< 903變曲率長短葉片相間的復合型離心輪(見),離心輪前設置了等螺距誘導輪。

          典塑超低比轉速離心泵性能曲線示意圖Fig.變曲率葉片復合離心輪Fig. 3泵內流場流動特性仿真分析3.1計算模型及邊界條件以從誘導輪進口到蝸殼出口整個泵內流場為計算區域,運用GAMBIT前處理軟件進行三維建模和網格劃分。針對計算域空間結構復雜,誘導輪、離心輪及蝸殼三大過流部件結構、尺寸及復雜程度不同,網格尺寸不便于統一的情況,采用適應性非常強的四面體非結構化體網格,分別對其單獨劃分網格,各過流部件內采用均勻的網格密度。計算區域網格模型如所示。

          計算區域網格模型圖Fig.泵內流場模擬主要的邊界有進口邊界、出口邊界和壁面邊界。

          出口采用壓力出口條件。泵流場存在三類壁面邊界條件:軸和葉片以相同速度轉動;誘導輪及蝸殼的外壁在坐標中靜止不動;離心輪的外邊界條件即離心輪的前后蓋板在坐標系中與葉片、軸以相同速度旋轉,而相對于fluid流體坐標系則保持靜止。

          3.2結果分析仿真計算了容積流量Q=Q額定工況點的泵內流動特性,結果顯示,誘導輪與離心輪的連接面上存在明顯的負壓回流區(見所示)。而從所示的離心輪旋轉面粒子軌跡中也可以看到靠近渦殼隔舌的長葉片附近有大量的回流和渦流現象,此外在葉片間流道上也有脫壁流,尤其是從短葉片起至出口段脫流現象明顯。

          誘導輪與離心輪連接面總壓分布Fig.離心輪旋轉面粒子軌跡圖Fig.誘導輪出口面和離心輪出口面的壓力、速度見表1.結果顯示誘導輪出口和離心輪出口的勢揚程系數都較低,尤其是誘導輪僅0.133.設計時希望兩者的勢揚程比例越大越好,因為動揚程越大則液體流速也越大,在流體從誘導輪出口的軸向速度轉化為進入離心輪后的徑向速度的過程中和流體從離心輪出口處很大的動能轉變為出口部件勢能的過程中的損失都會很大,導致離心泵水力效率降低。

          表1壓力及速度計算值平均總平均靜速度/揚程系數誘導輪出口離心輪出口誘導輪是決定泵抗汽蝕性能的主要因素,誘導輪勢揚程太低,則大流量下就會出現離心輪進口處嚴重汽蝕而導致泵揚程突降的現象(后續的試驗結果也證明了這一點,見)。計算工況下,誘導輪出口靜揚程僅0.12MPa,而且存在明顯的低壓區,因而需要采取措施提高誘導輪勢揚程和改善誘導輪出口及離心輪進口流動性。

          對于離心輪,初次設計采用大出口角變曲率葉片的初衷是為了提高泵揚程系數,但計算結果并不理想(見表),通過分析離心輪旋轉面粒子單曲率葉片復合離心輪表2壓力及速度計算值平均總壓/Pa平均靜壓/Pa速度/(ms-)揚程系數P誘導輪軌跡認為,增大葉片出口安放角本身會加重葉片流道的擴散程度,造成能量損失的增加,雖然在流道內易產生渦流和脫流的部位增添短葉片能改善葉片出口處非工作面附近液流的速度分布情況,一定程度上阻止邊界層的分離和脫流的產生,但由于泵的揚程要求非常高,離心輪外徑相對比較大,變曲率設計長葉片導致整個流道擴散過于嚴重,增加的短葉片對流體的控制力度不大,而且泵流量又非常小,流道擴散后,摩擦損失、轉彎損失、渦流脫落損失等水力損失所占比例較大,抵消了通過增大葉片出口角帶來的提高揚程的有效性,因而,需要對離心輪流道參數進行再次綜合優化。

          4優化措施及仿真分析針對次設計的帶前置誘導輪的超低比轉速離心泵內流場仿真計算結果反映出的問題,分別采取了改善誘導輪及離心輪流場的針對性優化措施。

          D通過調整葉柵汽蝕系數和增加葉尖沖角加大了誘導輪的葉尖直徑和螺距,以提高誘導輪的有效揚程。

          2通過調整計算加大了離心輪進口直徑和葉片進口寬度,適當增加葉輪入口沖角和葉輪蓋板進口曲率半徑來改善誘導輪出口和離心輪入口流動特性,以提高泵的抗汽蝕性能。

          3)將離心輪葉片設計成了出口角達<45°的單曲率長短葉片相間的復合結構(如。這樣既能改善葉間流道的擴散度又避免了葉輪進口橫截面積過于阻塞。

          再次優化設計后,采用同樣方法對泵內流場進行了模擬計算。計算結果分別如、和表2所示??梢钥吹絻灮Ч容^理想,誘導輪出口與離心輪進口連接處不但靜壓提高很多,揚程系數由0.133提高至0.264,而且壓力分布的均勻遞增性也得到了明顯改善。與相比,中離心輪旋轉面上基本無脫流,流動特性改善明顯,而且從表2中可以看出泵靜揚程比例系數為0.544,明顯高于表1中的0.476.誘導輪與離心輪連接面總壓分布Fig.離心輪旋轉面粒子軌跡圖Fig.相對流0/0. 0水力試驗對比曲線Fig. 5試驗驗證為了驗證計算分析結果及基于此的優化設計的有效性,將兩次設計的結果均加工成試驗件,分別進行泵水力試驗。揚程系數及效率特性比較曲線見、0.優化設計前后揚程系數曲線第二次設計次設計相對流量0/0.少-<水力試驗對比曲線第二次設計1)與次設計的超低比轉速泵性能相比,優化設計后泵揚程系數曲線平穩且高揚程范圍寬,在泵工作流量內,整個揚程變化極差0.3MPa,與次設計的泵大流量下揚程曲線突降情況比較改善顯著。

          2比較效率-流量曲線可知,優化設計后的超低比轉速泵效率比較高,高效率達到44,而且各流量點效率均高于次設計的泵,尤其是在大流量區域效率較高。對于比轉速ns=22的泵來說,本泵效率性能在同類泵中達到了較高的水平。

          6結論理軟件,采用三維K-s雙模型方程對其內部流場進行模擬仿真,根據模擬仿真結果,定位需要進行改進設計的結構部位,然后采取有針對性的合理措施優化設計了一臺高揚程、高效率、能在大流量范圍穩定工作的液體火箭發動機用超低比轉速離心泵。

          經過對比試驗驗證,證明采用該方法模擬的泵內流動特性比較接近真實流動,基于內流場分析進行高速超低比轉速離心泵優化設計是可行的,而且是快速高效的。

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