氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)氫渦輪泵汽蝕試驗(yàn)技術(shù)研究

李培昌，馮 飛，王建宇

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京，100074）

0 引 言

氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵應(yīng)該工作在臨界汽蝕點(diǎn)之上，一旦渦輪泵發(fā)生汽蝕，就會(huì)對(duì)泵葉片造成嚴(yán)重的侵蝕破壞，同時(shí)還產(chǎn)生噪音和震動(dòng)現(xiàn)象。汽蝕后渦輪泵吸入的推進(jìn)劑內(nèi)將混有大量氣泡，泵的流量、揚(yáng)程、功率和效率都降低，嚴(yán)重時(shí)遭到損壞并斷流[1]，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。

對(duì)于火箭總體及增壓輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，渦輪泵的汽蝕點(diǎn)是一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)，通過(guò)水力試驗(yàn)得到，但是液氫泵通過(guò)水力試驗(yàn)得到的汽蝕點(diǎn)換算成低溫介質(zhì)后，其準(zhǔn)確性和可靠性需要通過(guò)真實(shí)介質(zhì)試驗(yàn)才能確認(rèn)。大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)由于液氫流量大，介質(zhì)的安全排放無(wú)法較好地解決，因此未進(jìn)行過(guò)液氫介質(zhì)的汽蝕試驗(yàn)。本文通過(guò)在某型發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)試驗(yàn)中，采取技術(shù)手段使氫渦輪泵發(fā)生汽蝕，獲取泵工作的實(shí)際汽蝕點(diǎn)，為火箭總體設(shè)計(jì)及發(fā)動(dòng)機(jī)氫渦輪泵的抗汽蝕性能研究提供重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。

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(dá)到汽蝕，可通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)[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(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的推進(jìn)劑供應(yīng)采用絕熱管路輸送，通過(guò)給推進(jìn)劑貯箱增壓的方式保持泵入口壓力。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求在額定條件下正常啟動(dòng)，根據(jù)實(shí)際情況，提高流體溫度難以實(shí)現(xiàn)，而降低貯箱壓力從而降低泵入口流體的壓力相對(duì)容易。

對(duì)于氫渦輪泵汽蝕試驗(yàn)而言，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)緩慢持續(xù)降低泵入口壓力，確保發(fā)動(dòng)機(jī)氫渦輪泵汽蝕。若是壓力控制不精確，很可能在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)完成后渦輪泵還沒(méi)有汽蝕，達(dá)不到試驗(yàn)?zāi)康模蛘咴诎l(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)開始時(shí)就發(fā)生汽蝕關(guān)機(jī)，不利于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的考察。在試驗(yàn)過(guò)程中，需要保證氫渦輪泵入口壓力平穩(wěn)下降，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)，這樣既能考核發(fā)動(dòng)機(jī)性能，又能對(duì)氫渦輪泵的汽蝕點(diǎn)作出一個(gè)準(zhǔn)確的測(cè)試，因此如何控制泵入口壓力成為難點(diǎn)。

1.2 泵入口壓力控制方法

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，渦輪泵入口壓力可由下式確定：

式中ivP為泵入口壓力；xrP為貯箱壓力；hP為推進(jìn)劑液柱壓力；P?為管路流阻損失。

對(duì)于確定的試驗(yàn)系統(tǒng)而言，當(dāng)推進(jìn)劑流量不變時(shí)，管路流阻損失不變；推進(jìn)劑液柱壓力可通過(guò)推進(jìn)劑加注量及推進(jìn)劑流量計(jì)算得到。由此泵入口壓力與貯箱壓力直接相關(guān)，試驗(yàn)中一般通過(guò)控制貯箱壓力來(lái)保證泵入口壓力穩(wěn)定。汽蝕試驗(yàn)需要降低泵入口壓力，即可通過(guò)降低貯箱壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

貯箱壓力的降低可以通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)：a）一方面停止向容器內(nèi)增壓，此時(shí)增壓氣體受到推進(jìn)劑溫度的影響溫度降低、壓力下降；另一方面由于推進(jìn)劑的不斷消耗，因此貯箱內(nèi)空容積增大，氣枕膨脹使壓力下降。該方法優(yōu)點(diǎn)是貯箱壓力及泵入口壓力下降平穩(wěn)，缺點(diǎn)是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不一定能達(dá)到泵汽蝕壓力。b）停止增壓后的自然降壓外加貯箱放氣強(qiáng)制降壓，該方法優(yōu)點(diǎn)是可保證貯箱壓力達(dá)到汽蝕壓力，缺點(diǎn)是壓力控制不穩(wěn)定，壓力曲線不夠平緩。對(duì)于這兩種箱壓控制方式，可以通過(guò)計(jì)算來(lái)進(jìn)行比較。

2 貯箱壓力控制方法

對(duì)于前面兩種壓力控制方法，先計(jì)算第1種，即停止增壓后貯箱壓力自然下降。該型號(hào)氫渦輪泵理論汽蝕點(diǎn)為入口壓力0.12 MPa，液氫系統(tǒng)流阻及靜液柱壓力較小忽略不計(jì)，可認(rèn)為箱壓0.12 MPa時(shí)渦輪泵發(fā)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(jìn)劑之間的熱交換造成氣枕溫度降低，壓力下降；b）推進(jìn)劑消耗造成的氣枕體積變大，壓力減小。即：

式中1P?為氣枕與推進(jìn)劑熱交換造成的壓降；2P?為推進(jìn)劑消耗造成的壓降；oP為貯箱初始?jí)毫Α?/p>

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(guò)程可以通過(guò)下述方法計(jì)算。

2.1.1 氣枕與推進(jìn)劑熱交換造成的壓降

氣枕與推進(jìn)劑的熱交換為瞬態(tài)過(guò)程，可以通過(guò)數(shù)值模擬或試驗(yàn)測(cè)得。為了獲得這一數(shù)據(jù)，某次試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)一次關(guān)機(jī)后，增壓系統(tǒng)停止工作，隨后測(cè)量系統(tǒng)記錄了200 s內(nèi)箱壓變化的數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 某次地面試車靜置狀態(tài)氫箱箱壓變化Fig.1 Hydrogen Tank Pressure Curve of a Ground Test

由圖1可以看出，在停止增壓的情況下，100 s時(shí)間內(nèi)氫箱箱壓下降了0.08 MPa，且箱壓下降速度在初始時(shí)較快，后來(lái)趨于平緩，平均值約為0.0008 MPa/s，即：

2.1.2 推進(jìn)劑消耗造成的壓力下降

推進(jìn)劑消耗導(dǎo)致氣枕膨脹壓力降低的數(shù)值可以根據(jù)貯箱結(jié)構(gòu)尺寸、推進(jìn)劑流量、發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)氣枕大小計(jì)算得出。在計(jì)算時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)氣枕大小為不確定值，可以通過(guò)固定加注量、固化推進(jìn)劑加注后停放時(shí)間、估算預(yù)冷消耗量得到。

本次汽蝕試驗(yàn)氣枕初始體積為15.5 m3，初始?jí)毫?0.22 MPa，由推進(jìn)劑質(zhì)量流量可得體積流量為0.04485 m3/s。由理想氣體公式，忽略溫度變化，可得推進(jìn)劑消耗造成的貯箱壓降為

由式（2）～（5）可得貯箱壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律為

根據(jù)式（6）即可算得停止增壓后一段時(shí)間內(nèi)的箱壓壓力，此壓力為保守值，實(shí)際壓力可能小于此數(shù)值。根據(jù)計(jì)算，氫渦輪泵汽蝕試驗(yàn)無(wú)須采取貯箱放氣降壓的方法就可以滿足壓降的要求，實(shí)現(xiàn)氫泵汽蝕。

2.2 箱壓數(shù)值模擬

為了更準(zhǔn)確地計(jì)算貯箱壓力的變化過(guò)程，對(duì)該壓降過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。貯箱結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用二維對(duì)稱結(jié)構(gòu)，劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元為四邊形網(wǎng)格，部分區(qū)域網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 貯箱結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic Diagram of the Tank H—貯箱高度；D—貯箱內(nèi)徑

圖3 部分網(wǎng)格模型示意Fig.3 Part of the Grid Model

貯箱箱體由圓柱筒體與上下碟形封頭組成，液氫經(jīng)貯箱下方排液口流出。初始時(shí)刻，箱內(nèi)裝有溫度為20 K的低溫液氫，貯箱頂部為氣枕區(qū)，并選擇氫氣作為增壓氣體，主要參數(shù)如表1所示。

表1 主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters

模擬過(guò)程中低溫液氫流量從下排液口流出，氣枕容積增大，壓力降低。

本文采用Fluent對(duì)液氫貯箱增壓排液過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算中氫氣密度采用理想氣體模型。在參量的離散格式設(shè)置中，壓力項(xiàng)采用PRESTO!格式，體積分?jǐn)?shù)項(xiàng)采用GEO-Reconsturct格式，其他參數(shù)均采用二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合項(xiàng)選用PISO算法來(lái)修正壓力值。液氫流出過(guò)程中，箱內(nèi)始終存在著氣液相界面，且相間沒(méi)有互相穿插，因此采用流體體積函數(shù)多相流模型。

本文直接考慮了相間熱質(zhì)轉(zhuǎn)移的產(chǎn)生機(jī)理，編寫了控制相變的用戶自定義函數(shù)（User-Defined Function，UDF），包括分別作用于氣、液相連續(xù)方程的質(zhì)量源項(xiàng)與作用于整個(gè)流體區(qū)的能量源項(xiàng)。計(jì)算時(shí)假設(shè)整個(gè)增壓過(guò)程中相界面始終處于熱平衡狀態(tài)，液面溫度等于當(dāng)前壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度．計(jì)算中通過(guò)控制方程求解整個(gè)計(jì)算域的溫度分布，比較當(dāng)前網(wǎng)格溫度與飽和溫度的相對(duì)大小來(lái)判斷是否發(fā)生相變，若發(fā)生相變則在連續(xù)方程與能量方程中增加相應(yīng)源項(xiàng)以保證相間的熱質(zhì)轉(zhuǎn)移，其數(shù)學(xué)描述見文獻(xiàn)[3]。

3 結(jié)果分析

3.1 估算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

估算箱壓與數(shù)值模擬箱壓的對(duì)比如圖4所示。

圖4 估算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of Estimated Results with Numerical Simulation Results

由圖4可以看出，兩種算法可以得到100 s內(nèi)箱壓均達(dá)到氫渦輪泵的理論汽蝕壓力，而估算所得箱壓要偏高于數(shù)值模擬的箱壓。其原因?yàn)椋篴）對(duì)溫度引起的壓降做了線性平均，引起了一些誤差；b）計(jì)算推進(jìn)劑消耗造成的壓力下降2P?時(shí)，采用理想氣體公式忽略了溫度的變化，而實(shí)際過(guò)程中氣體溫度會(huì)降低，造成壓力下降。因此造成了估算箱壓值偏高于數(shù)值模擬的箱壓值。

由估算和數(shù)值模擬均可發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)過(guò)程中，停止增壓即可在100 s內(nèi)使箱壓下降，從而導(dǎo)致泵入口壓力降低，氫渦輪泵發(fā)生汽蝕。因此，認(rèn)為氫渦輪泵汽蝕試驗(yàn)采用第1種方式，無(wú)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(yàn)結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用停止增壓的方法進(jìn)行了氫渦輪泵汽蝕試驗(yàn)，結(jié)果如圖 5所示。發(fā)動(dòng)機(jī)氫泵入口壓力按照預(yù)先計(jì)算的趨勢(shì)變化，泵入口壓力比箱壓低，在停止增壓84 s左右，氫渦輪泵發(fā)生汽蝕，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到汽蝕關(guān)機(jī)條件，正確實(shí)施了自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)。

圖5 地面試驗(yàn)泵入口壓力與箱壓對(duì)比Fig.5 Inlet Pressure of the Pump and Tank Pressure of A Ground Test

估算箱壓、數(shù)值模擬箱壓與試驗(yàn)箱壓的對(duì)比如圖6所示。

圖6 估算結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.6 Estimated Results、Numerical Simulation Results and Test Results

由圖6可以看出，估算箱壓值偏差較大，而數(shù)值模擬壓力與試驗(yàn)數(shù)據(jù)接近，因此可認(rèn)為數(shù)值模擬具有一定的參考性，可以對(duì)后續(xù)的其他類型渦輪泵汽蝕試驗(yàn)的箱壓控制方法作出一定的指導(dǎo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于大流量的液氫排放無(wú)法得到有效的安全處理，大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵無(wú)法單獨(dú)進(jìn)行真實(shí)介質(zhì)的渦輪泵汽蝕試驗(yàn)。某型發(fā)動(dòng)機(jī)借助于全系統(tǒng)長(zhǎng)程試驗(yàn)，依托現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)技術(shù)手段確保發(fā)動(dòng)機(jī)氫渦輪入口壓力降低，首次實(shí)現(xiàn)了人為控制的渦輪泵汽蝕試驗(yàn)，獲取了氫渦輪泵實(shí)際汽蝕點(diǎn)的入口壓力，各項(xiàng)試驗(yàn)取得圓滿成功，為發(fā)動(dòng)機(jī)氫渦輪泵的抗汽蝕性能研究提供了重要技術(shù)數(shù)據(jù)。