多級液氫泵設計及流場仿真

畢辰宇，張 靜，陳 曉，李家文

（1. 北京航空航天大學宇航學院，北京，100191；2. 北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引 言

液氫泵是氫氧火箭發動機的關鍵組件，對于高壓液氫泵而言，為了控制葉輪的葉尖速度和取得合理的比轉速，只能采用多級泵串聯的方案，既可以減小葉輪的葉尖速度，又可以增大級的比轉速，使泵的總效率有所提高[1]。衣同訓等[2]針對液氫泵誘導輪進行了流場仿真并預測其性能；李家文等[3]提出了液氫泵流道式級間導葉的設計方法。

本文設計了一種多級液氫泵，通過流場仿真和水試試驗對設計結果進行了分析和驗證。

1 多級液氫泵設計

1.1 泵的級數

根據國內外氫渦輪泵的設計經驗，本文設計的液氫泵采用帶誘導輪的離心泵方案，需要確定泵的級數。單級泵具有設計簡單、零件數量少、軸向長度短、成本低的優點，但葉輪出口寬度窄、外徑大、加工困難、泵的比轉速低，因此效率較低。兩級泵相對復雜，但效率較高，葉輪外徑小，出口寬度較寬，易于加工。

表1為不同葉輪級數氫泵設計參數對比。

表1 液氫泵級數方案比較Tab.1 Comparison of Liquid Hydrogen Pump with Different Stage

泵的設計揚程為17000 m，若采用單級泵，葉輪葉尖速度將達到537 m/s；若采用兩級泵，則每級揚程為8500 m，葉輪的葉尖速度為380 m/s。目前，美國SSME氫主泵葉輪的圓周速度為513 m/s，俄羅斯PД-120為504 m/s，日本LE-7為518 m/s，中國的成熟氫渦輪泵葉輪葉尖速度為430 m/s，顯然采用單級泵，現有的材料無法滿足強度要求，綜上考慮，選擇兩級泵方案。

1.2 泵的結構

液氫泵由一個誘導輪、兩個離心葉輪、擴散器、級間殼體和出口蝸殼組成。為了提高誘導輪的揚程，采用變螺距誘導輪。每級葉輪出口均有徑向葉片式擴散器，兩級離心泵之間的級間殼體為液氫提供了回流通道，同時進一步降低液氫流速。泵出口為蝸殼形出口。在泵葉輪的前后蓋板上及兩級葉輪之間裝有迷宮密封以減小葉輪的內部回流量。

1.2.1 葉輪設計

葉輪可以采用開式葉輪和閉式葉輪，開式葉輪加工比較容易，但由于渦輪泵流量小，要使泵的性能好，葉片和殼體之間的間隙必須保持非常緊密，這在轉速較高的情況下，很難實現，況且轉子的軸向位置的微小變化將引起泵性能的很大變化。相反，閉式葉輪的軸向間隙不需要太小，而且泵的性能與轉子的位置無關，綜合考慮，選擇閉式葉輪。

由于泵對效率要求較高，為了得到高效率，需要采用較高的揚程系數，要得到高的揚程系數，就希望葉片的數目較多，最佳的葉輪要有6個長葉片、6個短葉片，在出口處還要有另一組12個短葉片（6+6+12），出口角都是 30°，這樣葉輪產生的揚程最高，但這種結構加工難度大。此泵由于流道空間較小，無法布置12個出口短葉片，葉片數減少為6+6，葉片出口角為30°。

1.2.2 級間殼體設計

級間殼體由一個徑向帶葉片的擴散器和回流導葉組成，擴散器葉片和回流導葉葉片采用連續葉片。連續葉片的設計可減小液流沖擊損失，有利于提高效率[4]。這種徑向葉片式擴散器能夠將級間殼體內的流速減小到大約葉輪出口速度的一半，減少流體摩阻損失，還能使葉輪周圍的壓力分布均勻，減小葉輪的徑向力。經過初步設計，液氫泵級間殼體采用7個導葉葉片，葉片進口角為7°，出口角為70°。

1.2.3 蝸殼設計

蝸殼的主要功能是將液流在葉輪出口處高流動速度的動能轉化為壓力。蝸殼形式主要有無葉片式和帶擴散葉片的蝸殼兩種。無葉片式是蝸殼速度轉化為壓力主要發生在錐形的泵出口管中；帶擴散葉片是蝸殼能量的轉化主要發生在擴散葉片中。無葉片式的蝸殼主要優點是結構簡單，但效果較差；帶擴散葉片的蝸殼結構較復雜、尺寸較大，但效果好。綜合考慮，液氫泵采用帶擴散葉片的蝸殼。

2 多級液氫泵仿真

2.1 幾何建模與網格劃分

對多級液氫泵進行了三維建模，圖1為多級液氫泵主要部件的幾何模型。

圖1 多級液氫泵主要部件的計算模型Fig.1 Models of Major Components in the Multistage Liquid Hydrogen Pump

對多級液氫泵計算模型進行多面體網格劃分，并進行局部加密，如圖2所示。在保證計算結果準確性的前提下，多面體網格能夠顯著提高計算效率[5]。

圖2 多級液氫泵計算網格Fig.2 Meshes of the Multistage Liquid Hydrogen Pump

2.2 計算條件設置

通過相似準則[6]換算得到多級液氫泵的水試條件為：轉速18280 r/min，流量10.55 kg/s。

采用多重參考系模型進行定常計算[7,8]，以液態水（25 ℃）作為工質，選用 Realizablek-湍流模型，近壁面設置為標準壁面，進口邊界設置為質量流量進口，出口邊界設置為壓力出口，收斂精度設置為10-6。

渦輪泵內的流動是典型的非定常流動，當定常計算結果收斂后，采用滑移網格模型進行非定常計算，并將定常計算的收斂結果作為流場的初值。

2.3 網格無關性驗證

設計3種不同尺寸的網格進行無關性分析，網格參數和計算結果如表2所示。

表2 網格無關性分析Tab.2 Mesh Independence Analysis

由表2可知，隨著網格數量的增加，揚程的變化幅值較小，網格2和網格3的揚程偏差為0.08%，選擇網格3的計算結果作為流場初值進行非定常計算。

3 結果分析

3.1 流場計算結果及分析

3.1.1 靜壓分布及分析

圖3為多級液氫泵的靜壓分布。從圖3中可知，泵內靜壓分布較均勻，通過誘導輪和兩級葉輪的做功，泵內流體的靜壓值逐漸增加，并在泵出口處靜壓值基本達到最大；進一步分析誘導輪和葉輪內的靜壓分布可知，誘導輪內的低壓區集中在葉片前緣的外緣，這也是最容易發生汽蝕的區域；葉輪內靜壓值沿徑向比較均勻地增加，低壓區集中在葉片進口處，符合理論與實際。

圖3 多級液氫泵靜壓分布Fig.3 Static Pressure Distribution of the Multistage Liquid Hydrogen Pump

續圖3

3.1.2 速度分布及分析

圖4為多級液氫泵的速度分布。

圖4 多級液氫泵速度分布Fig.4 Absolute Velocity Distribution of the Multistage Liquid Hydrogen Pump

從圖4中可以看出，流體在誘導輪和兩級葉輪處速度較大，進入級間殼體和蝸殼后，速度逐漸降低。由圖4b可知，在級間導葉的作用下，流體的速度沿徑向比較均勻地減小，葉片出口附近有漩渦產生，這種漩渦能夠幫助消除流體的旋轉分量，使出口流動更加均勻；由圖4c可知，在擴散葉片的作用下，進入蝸殼的流體速度沿徑向減小，流體動能轉換成壓能，提高了出口流動的穩定性。

3.2 水試試驗結果及分析

為了進一步驗證設計結果，對樣機開展了額定工況下的水試試驗，水試結果為：轉速18281 r/min，流量10.620 kg/s，揚程13.061 MPa，軸功率232.253 kW，效率 59.743%，與設計值較接近，表明多級液氫泵設計能夠滿足要求。

圖5為仿真揚程和試驗揚程對比。由于在幾何建模過程中簡化了葉輪葉片與前后蓋板間的迷宮密封，數值計算過程中忽略了輪盤與蓋板之間的摩擦損失，仿真結果與試驗結果存在一定的偏差，仿真靜壓值和試驗靜壓值間的最大相對誤差為5%，處于工程可接受的范圍內，針對仿真結果進行的流場分析可以作為進一步優化設計的參考。

圖5 仿真揚程與試驗揚程對比曲線Fig.5 Head Comparison between Simulation Results and Test Results

4 結 論

本文完成了多級液氫泵的設計，通過流場仿真得到了泵內流場的速度和壓力分布，并分析了泵內流場的流動狀態。結果表明，泵內流場的靜壓分布比較均勻，誘導輪葉片前緣的外緣處靜壓較低，容易發生汽蝕；級間導葉采用連續葉片式設計，能夠有效降低流體速度和消除流體旋轉分量，同時降低液流沖擊損失，提高效率。在此基礎上，對樣機開展了額定工況下的水試試驗。結果表明，揚程、軸功率和效率的試驗值與設計值較接近，多級液氫泵能夠滿足設計要求。