航天液体火箭液氢泵叶片积叠线空化性能优化仿真研究.pdf

信息技术吴不鸣等航天液体火箭液氢泵叶片积叠线空化性能优化仿真研究第一作者简介:吴不鸣()男安徽池州人硕士研究生研究方向为推进系统内流气动力学.通信作者简介:夏晨()男江苏江阴人博士研究方向为航空宇航科学与技术:./.航天液体火箭液氢泵叶片积叠线空化性能优化仿真研究吴不鸣夏晨(南京航空航天大学 能源与动力学院江苏 南京)摘 要:参照现有液体火箭液氢涡轮泵设计一组诱导轮离心轮构型 通过数值模拟方法探索液氢涡轮泵中离心轮叶片前缘积叠线的影响规律验证相应的优化方法 结果表明:泵体流量工况的变化会影响泵体的流场并对空化现象产生影响而进行积叠线倾斜优化能调整沿叶高的攻角进而改善泵体空化性能积叠线倾斜角 的取值范围在 时叶片具有较好的防空化气蚀性能关键词:液体火箭涡轮泵高速泵空化液氢叶轮中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():.:引言目前国内众多高校都在进行火箭相关实验建设涡轮泵液体火箭是推进系统的燃料供给部件 由于工质的低沸点及叶轮的高转速特性低温泵内流易发生空化等不稳定流动现象 空化是流场液态工质的气液相变现象该现象会使机械效率下降 空化与流场的温度、转速、工件构型等因素存在着很强的相关性联系很多学者进行了离心泵空化现象的相关研究发现叶轮入口和叶片前缘附近的局部流动情况对空化现象有着决定性作用 而积叠线影响着叶片的构造很多学者进行了基于该因素的叶型优化 等对核冷却剂泵进行仿真发现正积叠线倾斜角有利于提高效率并减少压力脉动而负倾斜角有利于增加扬程和减小轴向力并减少压力脉动 等则发现负积叠线可以提高较低流速下的流动稳定性和效率在以上学者的研究中泵的离心轮叶片前缘积叠线型及其对空化影响方面的研究仍有所欠缺而该处是空化发生的起点 为了详细了解液氢泵的工作状况受叶片前缘积叠线的影响以便在实际工程应用中得到理论基础的支撑故本文采用数值模拟的方法对涡轮泵进行流场仿真探究液氢泵离心轮叶片前缘积叠线对流场的影响规律并尝试给出优化建议 数值计算方法.计算模型与网格划分本文选取 的马克 液氢涡轮泵作为参考以液氢泵的进口诱导轮离心轮流段作为研究对象建立了一组 仿真模型部分参考构型参数如表 所示表 部分参考构型参数参数名参数值参数名参数值离心轮进口直径/.离心轮出口直径/.离心轮进口宽度/.离心轮出口宽度/.诱导轮叶片数流量/(/).离心轮长/短叶片数/转速/(/)信息技术吴不鸣等航天液体火箭液氢泵叶片积叠线空化性能优化仿真研究 文中采用 与 进行六面体网格绘制采用周期性网格进行仿真并对近叶片和近壁面处网格进行加密 图 给出了整体算例模型的三维视图和计算网格E AD.D(a)4(b)E4E图 模型的三维视图和计算网格.边界条件仿真基于商业软件 选用 湍流模型 边界条件如表 及图 所示(本刊黑白印刷相关疑问咨询作者)应用流量进口与压力出口采用无滑移绝热壁面表 边界条件参数名参数值进口流量/(/).(单流道)进口静压/进口静温/出口总温/出口静压/周期性面Wal1InterfacePeriodicInletOut1et图 边界条件设置图.网格无关性校验表 中列出了不同网格量的部分仿真结果为保证仿真具有可信度以马克 涡轮泵的实验结果作为参考 虽然采用的涡轮泵构型有所改动但结果表明各网格量的仿真结果均与实验较为接近且网格量越高时数值波动越小可认为结果具有可信度(实际试验数据为压头离心轮进口压力.)表 仿真得到的不同网格量的部分计算结果网格量/万流场最低压力/压头/离心轮进口压力/离心轮进口流速/(/).网格量为 万以上时计算结果较为相近可以认为该网格量时的结果为理想值为保证计算的精确程度并减小计算量此后的计算中将网格量控制在 万左右 离心轮叶片前缘积叠线优化研究.叶片前缘积叠线优化方法进口前缘通常是空化现象发生的起点其构型会对进口前缘的流场造成极大的影响 本节尝试探究离心轮叶片进口前缘的积叠线对空化的影响 如图 所示保持其他参数不变对叶片的前缘积叠线进行线性调整并以前缘积叠线与机匣进口横截面型线所成的夹角 衡量积叠线的倾斜度 叶片的冲角是其入口角与来流角度之差在的较小正冲角能使上游来流冲击在叶片的压力面上提供较好的空化性能但负冲角会促使空化现象发生 因此积叠线的线型变化会影响叶片前缘的冲角分布通常随着 值的减小冲角将随叶高减小从而影响叶轮的空化性能 进行仿真分析时取 种不同 值的叠线构型作为研究对象0123450 901 802 703 604 555 48PSSS图 离心轮叶片积叠线示意图.离心轮前缘积叠线形的性能影响仿真分析 仿真时将参考压强取为.出口反压设置为.并对进口流量进行调整:以设计工况流量为则大流量为 小流量为(/)通过仿真得到的特性曲线如图 所示 其中标准与小流量工况的压头分别较大流量工况增大了 与 而效率则分别减小了与 在大流量工况下进口平均压力随积叠线的倾斜而下降而其他工况则未呈现这种趋势在小流量工况下压力则会上升 因在大流量工况下压力较高发生空化的可能性较小故对积叠线进行倾斜能提升整体空化性能 此外压头和效率在大流量工况下随倾斜度而上信息技术吴不鸣等航天液体火箭液氢泵叶片积叠线空化性能优化仿真研究升而在小流量工况下则随倾斜度而下降 这是因为上游来流的入流角在不同的流量下存在差异使大流量工况下的冲角过小而小流量工况下的冲角过大对积叠线的倾斜调整使冲角沿叶高减小改善空化性能9 0008 6008 2007 80001234(a)FUQUNE.1 BE.1 BE.1 B(N(N(123(b)UQU(c)FUUUQU50123450123459.909.759.609.450.9110.9100.9090.9080.9070.9060.9050.9040.90314 60014 40014 2007.3537.2967.2397.1820.8800.8850.8700.8650.8600.8550.85018 30018 20018 10018 00017 9000.6600.6550.6500.6450.6406.1626.0836.0045.925123123111323322图 不同积叠线型的流场仿真结果 将空化现象纳入考虑后再次进行仿真将液氢在 下的饱和蒸气压.作为相变压强选用的参考压强为.出口反压为.此时空化数.得到的仿真结果如表 所示 此时在大流量工况下空泡的体积为 并未发生空化现象在小流量工况下空泡体积在.左右浮动而在标准流量工况下随着 值的减小空泡的体积呈现出先减小再增大的趋势在 处于 范围内时空泡的体积较小且 号构型对应的空泡体积最小较 号减小了.而 值过小时空泡则会扩大对性能造成不利影响如 号构型的流场 可以认为在标准流量工况下进行前缘积叠线的倾斜调整能够对空化起抑制作用 空化现象的具体细节仍需要进一步观察以加深理解表 仿真得到的各积叠线型的空泡体积 单位:积叠线型号空泡体积大流量标准流量小流量.离心轮前缘积叠线形对空化影响的细节分析 图 中展示了标准流量下几种叶片前缘空泡分布发现当 接近 时空泡集中在叶根处 随着 逐渐减小叶根的空泡会不断向叶尖移动最终集中于叶尖 在此过程中可以明显观察到空泡的体积与构造都有所变化且当空泡靠近叶片前缘的中心时空泡的范围较小根据前文可知此时的空化体积也为最小值 因空化现象与压力的关系较为紧密故需要观察叶片表面压力分布细节以详细了解该部分流动的机理图 展示了 积叠线型离心轮的长叶片进口前缘附近的吸力面压力分布为区分空泡与流场中的高压部分此处将空泡标为黑色 空化因流场中的压力低于工质的汽化压强而发生图中的空泡与叶片表面的低压区同样具有一致性 调整积叠线实际上改变了前缘各处入流的冲角使沿叶高各处的进口条件发生了改变从而对流道中的压力分布产生了影响最终使空泡的分布发生变化在白圈处可以观察到空泡结束之后存在着小范围的高压区 这可能是由于紧贴叶片表面的附体空泡影响了该处的叶片表面构型使得此处发生回流涡回流工质流向叶片表面并在此处转向流往下游使该处压力升高图 不同积叠线对应的前缘吸力面空泡/FFFFFFFFFFFFFFFCTPMVUF1SFTTVSF图 积叠线型离心轮的叶尖表面压力云图以上仿真分析表明空化现象在特定工况下受积叠线构型影响较为明显 选择合适的积叠线可以对空化起到抑制作用从而改善离心泵的空化性能 数值分析表明在该泵体构型中 的取值范围在 内时叶片的冲角在叶根与叶尖较小而在叶中较大且沿叶高的变化梯度较为缓和此时积叠线形对应叶片的防气蚀性能较好 若继续减小 角使得积叠线的倾斜度上升则会促使空化发生信息技术吴不鸣等航天液体火箭液氢泵叶片积叠线空化性能优化仿真研究 结语本文运用数值模拟方法进行了液氢涡轮泵的仿真探究了叶片前缘积叠线构型在不同流量工况下对离心轮性能的影响得到了以下结论)未考虑空化时标准与小流量工况的压头分别较大流量工况增大 及 而效率则减小了 及 较低的流量会导致更严峻的工作条件)压头和效率在大流量工况下随积叠线倾斜度上升而在小流量工况下则随之下降 对积叠线的倾斜调整能使冲角沿叶高减小改善小流量工况下的空化性能)标准流量下倾斜角 的取值在 时该泵体具有较好的抑制空化能力 此时冲角在叶根与叶尖较小最高可使空泡体积减小.但继续增大 则会促使空化发生参考文献:朱一骁王申白雪蕊.国内高校重点实验室火箭发动机发展现状.机械制造与自动化():.季斌程怀玉黄彪等.空化水动力学非定常特性研究进展及展望.力学进展():.陈尧.基于 的低比转速离心泵叶轮多目标优化设计与实验.杭州:浙江大学.项乐陈晖谭永华等.液体火箭发动机诱导轮空化热力学效应研究.推进技术():.():.:.():.:.张亚太陈晖项乐等.基于正交优化设计的诱导轮空化性能研究.推进技术():.收稿日期:(上接第 页)计算出的坎贝尔图与自编软件计算出的坎贝尔图如图 所示 可以看出坎贝尔图的正负进动计算结果一致(a)ANSYS2 0691 655.21 241.4827.6413.800222.222444.444111.111333.333555.555666.666777.777888.8881 000FW stableFW stableFW stableFW stableBW stableBW stableBW stableBW stable102F=1x spinSpin velocity(r/min)(b)74SNJO2 5002 0001 5001 0005000012345678910 104图 软件与自编软件计算出的二维模型的 图 结语本文基于一维梁单元和二维轴对称单元构建了转子系统的有限元求解平台并验证了其计算的正确性)构建了转子系统的动力学模型实现了临界转速、振型等动力学特性的求解 并通过与 软件计算结果对比验证了固有特性的正确性 自编软件计算出的 转子一维转子系统前三阶临界转速误差在.以内二维转子系统前三阶临界转速误差在.以内)基于 框架实现了较为完善的软件前处理功能 构建了材料属性定义模块 完成了模型组件的建模、拾取、装配等功能开发 针对二维模型实现了网格划分、网格读取等功能)实现了较为强大的后处理功能 针对后处理需求实现了曲线图、柱状图、渲染图等多种后处理功能开发 后处理模块结果显示直观清晰显示效果美观参考文献:廖明夫.航空发动机转子动力学.西安:西北工业大学出版社.:.:.于晓凯徐俊谢鹏飞等.基于 和 的某滚动轴承转子系统固有频率分析.智能制造():.周建君许俊海范青山等.二次开发在自冲铆接模拟中的研 究 .机械 制 造 与 自 动 化 ():.申超群高静.基于 的 断面图像三维重建系统构建.计算机仿真():.():.收稿日期: