探析氫氧發動機渦輪泵汽蝕試驗技術范文

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摘要：針對氫氧發動機渦輪泵難以采用真實低溫介質進行汽蝕試驗的問題，提出在發動機試驗過程中降低泵入口壓力進行渦輪泵汽蝕試驗的方法。采用數值模擬計算不同控制方式下發動機泵入口壓力的變化趨勢，確定了壓力控制方法。經過試驗驗證，該壓力控制方法可行，首次實現了人為控制的氫渦輪泵汽蝕試驗，獲取了氫渦輪泵的實際汽蝕點，為發動機氫渦輪泵的抗汽蝕性能研究提供了重要技術數據。

關鍵詞：汽蝕試驗；數值模擬；汽蝕點

引言

氫氧火箭發動機渦輪泵應該工作在臨界汽蝕點之上，一旦渦輪泵發生汽蝕，就會對泵葉片造成嚴重的侵蝕破壞，同時還產生噪音和震動現象。汽蝕后渦輪泵吸入的推進劑內將混有大量氣泡，泵的流量、揚程、功率和效率都降低，嚴重時遭到損壞并斷流[1]，發動機不能正常工作。對于火箭總體及增壓輸送系統的設計來說，渦輪泵的汽蝕點是一個非常重要的數據，通過水力試驗得到，但是液氫泵通過水力試驗得到的汽蝕點換算成低溫介質后，其準確性和可靠性需要通過真實介質試驗才能確認。大推力氫氧發動機由于液氫流量大，介質的安全排放無法較好地解決，因此未進行過液氫介質的汽蝕試驗。本文通過在某型發動機全系統試驗中，采取技術手段使氫渦輪泵發生汽蝕，獲取泵工作的實際汽蝕點，為火箭總體設計及發動機氫渦輪泵的抗汽蝕性能研究提供重要的技術數據。

1渦輪泵汽蝕控制

1.1渦輪泵汽蝕控制方法分析若要使渦輪泵達到汽蝕，可通過以下方法實現[2]：a）提高泵入口流體的溫度；b）降低泵入口流體的壓力。氫氧火箭發動機試驗的推進劑供應采用絕熱管路輸送，通過給推進劑貯箱增壓的方式保持泵入口壓力。發動機試驗要求在額定條件下正常啟動，根據實際情況，提高流體溫度難以實現，而降低貯箱壓力從而降低泵入口流體的壓力相對容易。對于氫渦輪泵汽蝕試驗而言，要求在規定時間內緩慢持續降低泵入口壓力，確保發動機氫渦輪泵汽蝕。若是壓力控制不精確，很可能在發動機試驗完成后渦輪泵還沒有汽蝕，達不到試驗目的，或者在發動機試驗開始時就發生汽蝕關機，不利于對發動機性能的考察。在試驗過程中，需要保證氫渦輪泵入口壓力平穩下降，實現發動機自動緊急關機，這樣既能考核發動機性能，又能對氫渦輪泵的汽蝕點作出一個準確的測試，因此如何控制泵入口壓力成為難點。

1.2泵入口壓力控制方法在發動機試驗中，渦輪泵入口壓力可由下式確定：ivxrhP=P+P−∆P（1）式中ivP為泵入口壓力；xrP為貯箱壓力；hP為推進劑液柱壓力；∆P為管路流阻損失。對于確定的試驗系統而言，當推進劑流量不變時，管路流阻損失不變；推進劑液柱壓力可通過推進劑加注量及推進劑流量計算得到。由此泵入口壓力與貯箱壓力直接相關，試驗中一般通過控制貯箱壓力來保證泵入口壓力穩定。汽蝕試驗需要降低泵入口壓力，即可通過降低貯箱壓力來實現。貯箱壓力的降低可以通過兩種方法實現：a）一方面停止向容器內增壓，此時增壓氣體受到推進劑溫度的影響溫度降低、壓力下降；另一方面由于推進劑的不斷消耗，因此貯箱內空容積增大，氣枕膨脹使壓力下降。該方法優點是貯箱壓力及泵入口壓力下降平穩，缺點是在規定的時間內不一定能達到泵汽蝕壓力。b）停止增壓后的自然降壓外加貯箱放氣強制降壓，該方法優點是可保證貯箱壓力達到汽蝕壓力，缺點是壓力控制不穩定，壓力曲線不夠平緩。對于這兩種箱壓控制方式，可以通過計算來進行比較。

2貯箱壓力控制方法

對于前面兩種壓力控制方法，先計算第1種，即停止增壓后貯箱壓力自然下降。該型號氫渦輪泵理論汽蝕點為入口壓力0.12MPa，液氫系統流阻及靜液柱壓力較小忽略不計，可認為箱壓0.12MPa時渦輪泵發生汽蝕。

2.1箱壓估算方法貯箱停止增壓后，貯箱壓降主要由兩部分組成：a）貯箱氣枕與推進劑之間的熱交換造成氣枕溫度降低，壓力下降；b）推進劑消耗造成的氣枕體積變大，壓力減小。即：12∆P=∆P+∆P（2）xroP=P−∆P（3）式中1∆P為氣枕與推進劑熱交換造成的壓降；2∆P為推進劑消耗造成的壓降；oP為貯箱初始壓力。這兩方面原因造成貯箱壓力降低，從而使泵入口壓力下降，這一過程可以通過下述方法計算。2.1.1氣枕與推進劑熱交換造成的壓降氣枕與推進劑的熱交換為瞬態過程，可以通過數值模擬或試驗測得。為了獲得這一數據，某次試驗時發動機一次關機后，增壓系統停止工作，隨后測量系統記錄了200s內箱壓變化的數據，如圖1所示。由圖1可以看出，在停止增壓的情況下，100s時間內氫箱箱壓下降了0.08MPa，且箱壓下降速度在初始時較快，后來趨于平緩，平均值約為0.0008MPa/s，即：1∆P≈0.0008×t（4）2.1.2推進劑消耗造成的壓力下降推進劑消耗導致氣枕膨脹壓力降低的數值可以根據貯箱結構尺寸、推進劑流量、發動機工作時間、發動機啟動時氣枕大小計算得出。在計算時，發動機啟動時氣枕大小為不確定值，可以通過固定加注量、固化推進劑加注后停放時間、估算預冷消耗量得到。本次汽蝕試驗氣枕初始體積為15.5m3，初始壓力為0.22MPa，由推進劑質量流量可得體積流量為0.04485m3/s。由理想氣體公式，忽略溫度變化，可得推進劑消耗造成的貯箱壓降為根據式（6）即可算得停止增壓后一段時間內的箱壓壓力，此壓力為保守值，實際壓力可能小于此數值。根據計算，氫渦輪泵汽蝕試驗無須采取貯箱放氣降壓的方法就可以滿足壓降的要求，實現氫泵汽蝕。

2.2箱壓數值模擬為了更準確地計算貯箱壓力的變化過程，對該壓降過程進行數值模擬。貯箱結構如圖2所示，采用二維對稱結構，劃分非結構化網格，網格單元為四邊形網格，部分區域網格模型如圖3所示。貯箱箱體由圓柱筒體與上下碟形封頭組成，液氫經貯箱下方排液口流出。初始時刻，箱內裝有溫度為20K的低溫液氫，貯箱頂部為氣枕區，并選擇氫氣作為增壓氣體，主要參數如表1所示。容積增大，壓力降低。本文采用Fluent對液氫貯箱增壓排液過程進行數值模擬，計算中氫氣密度采用理想氣體模型。在參量的離散格式設置中，壓力項采用PRESTO!格式，體積分數項采用GEO-Reconsturct格式，其他參數均采用二階迎風格式，壓力速度耦合項選用PISO算法來修正壓力值。液氫流出過程中，箱內始終存在著氣液相界面，且相間沒有互相穿插，因此采用流體體積函數多相流模型。本文直接考慮了相間熱質轉移的產生機理，編寫了控制相變的用戶自定義函數（User-DefinedFunction，UDF），包括分別作用于氣、液相連續方程的質量源項與作用于整個流體區的能量源項。計算時假設整個增壓過程中相界面始終處于熱平衡狀態，液面溫度等于當前壓力對應的飽和溫度．計算中通過控制方程求解整個計算域的溫度分布，比較當前網格溫度與飽和溫度的相對大小來判斷是否發生相變，若發生相變則在連續方程與能量方程中增加相應源項以保證相間的熱質轉移，其數學描述見文獻[3]。

3結果分析

3.1估算結果與數值模擬結果對比估算箱壓與數值模擬箱壓的對比如圖4所示。由圖4可以看出，兩種算法可以得到100s內箱壓均達到氫渦輪泵的理論汽蝕壓力，而估算所得箱壓要偏高于數值模擬的箱壓。其原因為：a）對溫度引起的壓降做了線性平均，引起了一些誤差；b）計算推進劑消耗造成的壓力下降2∆P時，采用理想氣體公式忽略了溫度的變化，而實際過程中氣體溫度會降低，造成壓力下降。因此造成了估算箱壓值偏高于數值模擬的箱壓值。由估算和數值模擬均可發現，試驗過程中，停止增壓即可在100s內使箱壓下降，從而導致泵入口壓力降低，氫渦輪泵發生汽蝕。因此，認為氫渦輪泵汽蝕試驗采用第1種方式，無須采取貯箱放氣降壓的方法就可以滿足壓降的要求。

3.2試驗結果根據計算結果，采用停止增壓的方法進行了氫渦輪泵汽蝕試驗，結果如圖5所示。發動機氫泵入口壓力按照預先計算的趨勢變化，泵入口壓力比箱壓低，在停止增壓84s左右，氫渦輪泵發生汽蝕，發動機達到汽蝕關機條件，正確實施了自動緊急關機。估算箱壓、數值模擬箱壓與試驗箱壓的對比如圖6所示。由圖6可以看出，估算箱壓值偏差較大，而數值模擬壓力與試驗數據接近，因此可認為數值模擬具有一定的參考性，可以對后續的其他類型渦輪泵汽蝕試驗的箱壓控制方法作出一定的指導。

4結束語

由于大流量的液氫排放無法得到有效的安全處理，大推力氫氧發動機渦輪泵無法單獨進行真實介質的渦輪泵汽蝕試驗。某型發動機借助于全系統長程試驗，依托現有試驗系統，通過技術手段確保發動機氫渦輪入口壓力降低，首次實現了人為控制的渦輪泵汽蝕試驗，獲取了氫渦輪泵實際汽蝕點的入口壓力，各項試驗取得圓滿成功，為發動機氫渦輪泵的抗汽蝕性能研究提供了重要技術數據。

參考文獻

[1]樸奇鏞，宋元萍.離心泵實驗室中的汽蝕試驗[J].農機化研究所,2005(05):174-175.

[2]范海峰,范琪,等.離心泵汽蝕判定因素分析及預防[J].廣州化工,2011(1):119-120.

[4]范海峰,范琪,等.離心泵汽蝕問題研究及抗汽蝕性能改進[J].化工技術與開發,2011(1):50-52.

[5]唐飛,李家文,等.提高氧泵誘導輪汽蝕性能的方法研究[J].航空動力學報,2008(9):1743-1747.

[6]白東安.渦輪泵超低工況性能研究[J].火箭推進,2008(3):13-16.

[7]張萍.預壓渦輪泵水力性能試驗系統[J].火箭推進,2003(6):23-25.

作者：李培昌 馮飛 王建宇 單位：北京航天試驗技術研究所