渦輪沖壓組合發動機供水泵設計與試驗

柏文峰，李 昆

(中國航發控制系統研究所，江蘇無錫214063)

1 引言

新世紀以來，空間低成本投送、對超遠程目標的快速打擊及全球范圍的高速運輸等，都使得對遠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展面臨一系列技術挑戰，其中動力是決定性因素之一。相比于其他動力，渦輪沖壓組合(TBCC)發動機更符合高超聲速空天飛行器對動力的需求[1]。世界各航空強國對此開展了大量研究，如美國的TBCC/RTA計劃[2-3]、德國的Sanger計劃[4]、日本的HYPR計劃[5]等。但從目前發展情況看，TBCC發動機無論是采用串聯還是并聯形式，均存在高速渦輪發動機、寬馬赫數工作范圍沖壓發動機以及綜合熱防護與熱管理等技術難題?？紤]到現有技術基礎，采用射流預冷系統基于渦輪風扇發動機開展空天動力研究，對原渦輪發動機繼承性強，改動量小，尤其適于發掘現有型號的潛力，滿足國內空天飛行器對動力的迫切需要[6]。

作為TBCC發動機重要系統之一的射流預冷系統，其高壓力、大流量離心式供水泵的設計是關鍵。供水泵的主要功能是在射流預冷系統工作時，通過渦輪發動機所提供的燃油控制打開進口活門，提供一定流量與壓力的水；射流預冷系統不工作時，進口活門關閉，另提供自循環冷卻的水。由于離心泵具有尺寸小、抗氣蝕以及污染能力強等優點[7]，被廣泛用于航空以及民用液壓產品中。在航空發動機燃油系統中，離心泵常作為增壓泵使用，但增壓值一般不超過1.0 MPa。因此，現有的航空產品無法滿足大流量、高壓力供水泵需求，而這類離心泵設計方法目前國內鮮有研究。同時，依據傳統離心泵設計方法，需經歷理論計算[8-9]、模型、樣件、試驗、修模再到樣件的循環設計過程，迭代周期長，成本較高。隨著現代設計手段的提高，特別是CFD技術[10-11]的成熟，根據CFD流場仿真結果修正模型，再進行試驗，可大大縮短設計迭代的時間。本文以傳統的理論計算為基礎，借助CFD仿真手段設計了供水泵，其結構為非接觸離心式供水泵，可以在任意流量下工作，且沒有回水循環，可控制介質溫度升高過快。供水泵的試驗結果與仿真結果對比證明，設計的供水泵滿足設計要求，為渦輪沖壓組合發動機的研制打下了基礎。

2 供水泵關鍵參數設計

一般而言，射流預冷系統工作時，供水泵流量達18 000 L/h，出口壓力達5 MPa以上；而不工作時，流量又接近0。長時間旋轉但不供水的工況，會產生大量功耗損失導致溫度升高。因此，需設計一組引射器，從葉輪背部引水經引射器回水箱進行冷卻；同時在蝸殼表面設計一圈冷卻流道，達到充分散熱的效果。此外，供水泵工作涉及到水、控制用燃油等介質，為滿足耐腐蝕要求，供水泵蝸殼選用鋁鎂合金，表面硬質陽極化處理，葉輪和擴散管采用鈦合金材料；為滿足介質間的動密封要求，選擇格蘭圈與石墨環機械密封形式。

2.1 設計性能要求

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

2.2 性能參數設計

(1)設計點

供水泵的設計點為：進出口壓差Δp=5 MPa，輸出流量Q=18 000 L/h，額定轉速n=22 000 r/min。

(2)揚程

式中：ρ為水的密度，g為重力加速度。

(3)比轉速

根據離心泵比轉速，可估算泵的總效率η=0.57。

(4)輸入扭矩

2.3 葉輪設計

(1)輪轂半徑

式中：[τ]為許用剪切應力。考慮安全余量，取D=33 mm。

(2)進口直徑

式中：D0為進口當量直徑，按照進口流速推薦值取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∞表示無限葉片數的揚程。

離心泵出口直徑：

(4)葉輪寬度

式中：kb為葉輪出口寬度系數。

(5)葉片數

式中：β1為葉片進口角度，取21°。

2.4 蝸殼設計

(1)基圓直徑

式中：kD3為基圓直徑系數，取1.09。

(2)進口寬度

式中：a為葉輪蓋板厚度；c為常數，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 擴散管設計

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

3 建模與仿真

3.1 模型處理

使用UG軟件繪制供水泵過流部件結構三維模型(圖1)，并抽取充滿水介質的內部流道三維模型(圖 2)。

3.2 網格劃分及邊界條件

使用流場仿真軟件PumpLinx將供水泵模型切分成不同功能塊，通用功能塊可根據結構相似自動優化網格。供水泵屬于離心式葉片泵，主要包括進口區、出口區和增壓區三個功能塊。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對供水泵的三個功能區分別進行網格劃分，如圖3所示。網格大部分為六面體網格，增壓區網格密度約為進出口區的2倍。

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

3.3 收斂性準則

采用PumpLinx進行流場仿真。其中，穩態仿真用來判斷供水泵仿真的收斂性及其流量壓力特性，瞬態仿真得到供水泵流場隨時間變化的過程。對于瞬態仿真，每個仿真步均應達到收斂標準。用穩態仿真結果作為初始條件，可大大提高瞬態仿真的收斂性。PumpLinx使用相對殘差作為收斂標準，對于供水泵相對殘差值一般設置為0.1。

3.4 仿真結果

通過仿真得到供水泵設計點的壓力分布，見圖4?？煽闯?，介質經過葉輪作用壓力能增大，在出口擴散管端進一步將速度能轉化為壓力能，從而使供水泵出口壓力持續增高。

圖5為PumpLinx仿真單時間步殘差曲線。仿真誤差隨著迭代步數的增加而逐步降低，經過8步仿真迭代計算，各性能參數仿真的相對誤差均達到0.1以下，仿真過程收斂性較好。

仿真得到供水泵出口壓力隨時間的變化曲線，見圖6。可見，供水泵初始轉動時出口壓力波動較大，之后逐漸趨于穩定。壓力脈動頻率約為1 800 Hz，與根據供水泵轉速及葉輪葉片數計算的理論脈動頻率1 833 Hz基本一致。供水泵額定轉速時，仿真得到各流量點的出口壓力值，結果見表1。

表1 壓力-流量特性仿真結果Table 1 Simulation results of pressure and flow characteristic

4 試驗驗證

圖7示出了供水泵性能試驗原理圖。水箱里的水經過低壓泵增壓進入供水泵進口，然后從出口引出，經過壓力調節閥回到水箱中。在供水泵進、出口處分別設置壓力計1與壓力計2實時測量進口和出口壓力，在出口處設置流量計1實時測量出口流量?；拖渲械幕徒涍^滑油泵進入供水泵傳動系統以潤滑和冷卻軸承。

通過試驗器調節低壓泵轉速，給定供水泵進口壓力為0.4 MPa。測試了額定轉速下不同流量對應的供水泵出口壓力。表2為壓力-流量特性試驗結果。

表2 壓力-流量特性試驗結果Table 2 Test results of pressure and flow characteristic

圖8給出了額定轉速時流量分別為1 000、31 000、61 000、161 000、181 000 L/h下的進出口壓差值對比。由圖可知，5個流量點下仿真得到的進出口壓差平均值為5.02 MPa，試驗得到的進出口壓差平均值為5.15 MPa，二者誤差較小，為2.6%，可見仿真可信性較高。

對于離心泵，其揚程與流量的理論關系為：

供水泵額定轉速下，根據下式，流量18 000 L/h與流量0對應的揚程差為92 m。

根據揚程計算對應的壓差值為0.92 MPa。考慮到非設計點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，因此兩流量點之間的實際壓差相比理論計算值更小——試驗得到供水泵在工作流量范圍內進出口壓差僅為0.10 MPa。

5 結論

通過理論計算、建模仿真和試驗驗證表明，所設計的供水泵在泵輸出流量為18 000 L/h時出口壓力不小于5.4 MPa，達到了TBCC發動機對供水泵的設計要求，實現了預期目標。仿真結果與試驗數據誤差僅2.6%，具有較高的置信度。此外，對于離心式泵類產品常見的氣蝕等流場現象，隨著CFD技術的發展，后期可以利用流場仿真等方法做進一步研究。

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