過氧化氫電動泵結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析①

何淵博，秦 飛，潘宏亮，魏祥庚，何國強(qiáng)，魏士杰

(1.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2.中國航發(fā)西控公司，西安 710077)

0 引言

火箭沖壓組合發(fā)動機(jī)(RBCC)將高推重比、低比沖的火箭發(fā)動機(jī)和低推重比、高比沖的吸氣式發(fā)動機(jī)有機(jī)地組合在一起，促使二者揚(yáng)長避短，成功實(shí)現(xiàn)了航天推進(jìn)高效性與經(jīng)濟(jì)性的有效組合，為世界各航天大國所重視。推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)作為火箭沖壓組合發(fā)動機(jī)的重要組成部分，它的性能和可靠性決定了整個發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)劣和工作的安全性，是 RBCC 發(fā)動機(jī)走向工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于火箭沖壓組合發(fā)動機(jī)存在工作模態(tài)多(引射-亞燃-超燃)、控制對象差別大(沖壓發(fā)動機(jī)模塊-火箭發(fā)動機(jī)模塊)、包線范圍寬(Ma=0～6)、流量變比大(3～10倍)等特點(diǎn)，導(dǎo)致推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)部件數(shù)量眾多，并存在以下技術(shù)矛盾難以通過傳統(tǒng)的渦輪泵系統(tǒng)得以解決：(1)多工作模態(tài)、多控制單位下繁雜的控制變量與系統(tǒng)控制高精度、快頻響、高穩(wěn)定性、高協(xié)同性要求之間的矛盾；(2)推進(jìn)劑流量大調(diào)節(jié)比的需求與渦輪泵工作范圍的局限性之間的矛盾。

2017年，火箭實(shí)驗(yàn)室研制的“電子”號火箭首次在新西蘭發(fā)射升空[1]，至今已完成多次發(fā)射。該火箭的動力為“盧瑟?！币貉?煤油發(fā)動機(jī)，其采用電機(jī)驅(qū)動泵實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑增壓輸送，相對于渦輪泵系統(tǒng)，可大幅簡化發(fā)動機(jī)供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這為中小推力液體火箭發(fā)動機(jī)、火箭基組合發(fā)動機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化開辟了一條全新的設(shè)計思路。高濃度過氧化氫是一種理想的常溫、綠色推進(jìn)劑[2]，曾于20世紀(jì)60年代在“AR”系列[3]、“RD-150”系列發(fā)動機(jī)[4]等上廣泛應(yīng)用。近年來，隨著行業(yè)內(nèi)環(huán)保要求的提高再次被各國推崇，王光偉等[5]、林革等[6]也開展了大量過氧化氫發(fā)動機(jī)的相關(guān)研究和試驗(yàn)。

本文設(shè)想將高濃度過氧化氫作為氧化劑，通過電動泵方式來增壓，并形成一套過氧化氫/煤油電動泵供應(yīng)系統(tǒng)，其相對于渦輪泵系統(tǒng)將具有以下技術(shù)優(yōu)勢：(1)通過電機(jī)調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑流量控制，代替了復(fù)雜的等壓差閥控系統(tǒng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制方式簡潔；(2)電池和電機(jī)代替啟動裝置、渦輪、燃?xì)獍l(fā)生器及驅(qū)渦副系統(tǒng)等，大幅簡化了發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速控制精度高、響應(yīng)快，易實(shí)現(xiàn)重復(fù)啟動；(3)通過多泵組合靈活布局，易實(shí)現(xiàn)模塊化分布式控制，避免各推力室推進(jìn)劑流量互相影響；(4)常溫推進(jìn)劑發(fā)射工藝簡單、準(zhǔn)備時間短。這些優(yōu)點(diǎn)能從根本上解決渦輪泵系統(tǒng)在組合發(fā)動機(jī)中應(yīng)用的技術(shù)缺陷。

針對上述設(shè)想，本文將分析其核心部件——過氧化氫電動泵的設(shè)計難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，開展過氧化氫電動泵結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過數(shù)值計算分析泵水力性能和泵內(nèi)溫度場分布情況，證明設(shè)計結(jié)構(gòu)安全可行。

1 過氧化氫電動泵整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電動泵電機(jī)驅(qū)動部分選用兼具功重比和轉(zhuǎn)速控制性能的無刷直流電機(jī)，磁路設(shè)計采用常規(guī)無刷直流電機(jī)設(shè)計方法，在文中不再贅述。本文主要立足航空、航天領(lǐng)域高功重比應(yīng)用需求背景下，討論在具有不穩(wěn)定性的高濃度過氧化氫介質(zhì)使用環(huán)境中，電動離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。

本文電動泵設(shè)計輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 電動泵設(shè)計參數(shù)

高功重比是航空、航天設(shè)備的基本需求，如何減小電動泵的體積和重量，主要從兩方面入手：

(1)在結(jié)構(gòu)上，采用電機(jī)與離心泵的一體化設(shè)計：即葉輪與電機(jī)轉(zhuǎn)子共用同一傳動軸及軸承支撐，從而盡可能地減少泵內(nèi)軸承支撐、縮短電動泵長度，進(jìn)而減輕泵重量。在以上兩點(diǎn)設(shè)計準(zhǔn)則下：電動泵中電機(jī)轉(zhuǎn)子將采用雙軸承支承結(jié)構(gòu)，靠近葉輪端設(shè)計為雙向角接觸球結(jié)構(gòu)主軸承，用于承載葉輪剩余軸向力；離心泵葉輪采用單側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)安裝于主軸承外側(cè)。葉輪與軸承之間通過機(jī)械密封與唇式密封組合的形式，保證雙重密封條件下葉輪具有最小的懸臂長度，且總體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要盡可能縮短軸向距離。

(2)提高泵第一臨界轉(zhuǎn)速，保證泵高速穩(wěn)定工作。在同等功率輸出下，提高轉(zhuǎn)速是降低電機(jī)重量最有效的途徑。同時，對于小流量高揚(yáng)程的低比轉(zhuǎn)速離心泵，提高轉(zhuǎn)速可降低泵液體摩擦損失，進(jìn)而達(dá)到提高效率的目的。對于發(fā)動機(jī)電驅(qū)動離心泵，保證全工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作穩(wěn)定是寬范圍的流量調(diào)節(jié)基本要求。因此，該電動泵必須是剛性軸設(shè)計，即最高工作轉(zhuǎn)速不能超出第一臨界轉(zhuǎn)速。

從以上兩點(diǎn)需求出發(fā)，電動泵在設(shè)計中，將保證泵具有較高的第一臨界轉(zhuǎn)速。在初步設(shè)計中，主要基于等效剛度法開展軸系迭代設(shè)計。

高濃度過氧化氫具有不穩(wěn)定性，當(dāng)它與相容性較差的材料接觸時，或者溫度過高時會分解造成爆炸(90%濃度時極限溫度為383 K)[7-8]。通常電動泵中電機(jī)定子和軸承工作時，不可避免會產(chǎn)生多余的熱功。然而，在航空航天泵領(lǐng)域，為了減小系統(tǒng)的重量，對電機(jī)定子和軸承的冷卻只能通過系統(tǒng)內(nèi)部資源來解決，即必須用過氧化氫在泵內(nèi)建立冷卻循環(huán)流道，將電機(jī)和軸承的熱量通過過氧化氫換熱后帶至燃燒室進(jìn)行消除。因此，針對大功率電機(jī)驅(qū)動、以高濃度過氧化氫為氧化劑的電動泵設(shè)計時，必須同時考慮泵的性能需求和過氧化氫的安全性需求。在設(shè)計時，控制好過氧化氫的冷卻流道設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

從以上分析來看，航空航天用電動過氧化氫泵的設(shè)計，將聚焦在高臨界轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)設(shè)計、過氧化氫安全性設(shè)計及高品質(zhì)水力性能設(shè)計三方面綜合約束下進(jìn)行設(shè)計。

2 離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 水力設(shè)計

考慮到該泵轉(zhuǎn)速高、比轉(zhuǎn)速低的特點(diǎn)，該泵葉輪將采用帶誘導(dǎo)輪閉式葉輪結(jié)構(gòu)，葉輪前后采用相同直徑的密封環(huán)結(jié)構(gòu)，以保證葉輪上大部分軸向力被平衡。

葉輪通過CF-turbo結(jié)合Pumplinx軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真設(shè)計，經(jīng)過多輪參數(shù)優(yōu)選后，葉輪葉片構(gòu)型如圖1所示，通過流體有限元分析軟件Pumplinx，對本算例過氧化氫泵進(jìn)行仿真計算，來求解泵性能。

圖1 葉輪外形

計算結(jié)果分析：

(1)離心泵在設(shè)計點(diǎn)流量為3 L/s、轉(zhuǎn)速為35 000 r/min條件下：揚(yáng)程為5.28 MPa，滿足設(shè)計要求，且水力效率為70%。

(2)圖2、圖3顯示，離心泵內(nèi)部壓力分布均勻、無旋渦及明細(xì)擾動。各轉(zhuǎn)速下，不同流量狀態(tài)泵揚(yáng)程特性曲線無駝峰現(xiàn)象。

圖2 葉輪剖面液流方向

圖3 葉輪剖面壓力分布

(3)根據(jù)常見發(fā)動機(jī)變推力調(diào)節(jié)規(guī)律，推進(jìn)劑供應(yīng)流量-壓力關(guān)系一般為遞增關(guān)系，即當(dāng)發(fā)動機(jī)需要增大推力時，將提高泵轉(zhuǎn)速及出口流量，受發(fā)動機(jī)室壓影響泵出口壓力也相應(yīng)提高，推進(jìn)劑泵性能如圖4所示的虛線軌跡調(diào)節(jié)。從計算結(jié)果來看，離心泵轉(zhuǎn)速在15 000～35 000 r/min范圍可實(shí)現(xiàn)流量在1～4 L/s范圍內(nèi)，出口壓力在1.5～6 MPa范圍之間調(diào)節(jié)，如圖5所示各轉(zhuǎn)速下在發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)泵的水力效率基本保持在0.6以上。

圖4 多工況出口壓力曲線

圖5 多工況水力效率曲線

2.2 選材設(shè)計

高濃度過氧化氫與相容性較差的材料接觸時，會發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)引起爆炸。

材料選擇是保證泵安全工作的重點(diǎn)，泵材料的選擇應(yīng)同時考慮零件功能強(qiáng)度要求、功重比要求與介質(zhì)相容性要求。根據(jù)過氧化氫與材料相容性分級，2級相容材料在過氧化氫介質(zhì)中使用僅有輕微影響，因此，零件選材均選用相容性2級以上的材料，葉輪、傳動軸對材料力學(xué)性能要求較高的零件選用2級相容的不銹鋼材料，泵殼體、電機(jī)殼體等對力學(xué)性能要求低的選用密度較小的鋁合金材料，靜密封選用二級相容的硅膠材料等，主要選材表如表2所示。

3 泵內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

3.1 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

在電動泵中，通常軸承、機(jī)械密封及電機(jī)繞組在高速工作過程中，會產(chǎn)生大量的多余熱功，而引起局部的高溫。該電動泵結(jié)構(gòu)為帶誘導(dǎo)輪單級離心泵，其誘導(dǎo)輪、葉輪與電機(jī)轉(zhuǎn)子一體化同軸設(shè)計。因此，本文利用誘導(dǎo)輪后與泵進(jìn)口之間的壓差，建立了過氧化氫冷卻通道來控制泵內(nèi)各生熱部位的溫度。泵外形及流場網(wǎng)格如圖6所示，葉輪根部設(shè)計有均壓孔，可將誘導(dǎo)輪后的過氧化氫引入到機(jī)械密封腔。然后，過氧化氫將依次流經(jīng)機(jī)械密封腔、軸承冷卻腔及螺旋形的電機(jī)繞組冷卻流道，并在其間完成換熱后，從電機(jī)底部通過回流管路回到泵進(jìn)口，并最終從泵出口排出，從而實(shí)現(xiàn)泵內(nèi)溫度平衡。

其中，在主軸承冷卻腔的流道上設(shè)置了大量與流向垂直的槽道，來提高狹小空間內(nèi)換熱效率；另外，電機(jī)繞組的冷卻流道必須在外壁非常薄的殼體上進(jìn)行。為了在保證外壁強(qiáng)度的前提下，盡可能地增大換熱面積及提高流通面積，將冷卻流道設(shè)計成4個并列工作的螺旋形流道。

圖6 泵外形及流場網(wǎng)格

根據(jù)能量守恒定律，滾動軸承的摩擦力矩決定軸承的功率消耗和發(fā)熱量，可用一般方法建立軸承力矩方程[9]；電機(jī)繞組發(fā)熱功率可根據(jù)各狀態(tài)電機(jī)效率計算；機(jī)械密封發(fā)熱功率可根據(jù)工作面摩擦副的pV值[11]特性參數(shù)計算。通過電動泵在某發(fā)動機(jī)不同狀態(tài)性能參數(shù)，計算各部位熱功率如表3所示。

表3 電動泵各部位熱功參數(shù)

表3中，m1為輸出流量，kg/s；n為泵轉(zhuǎn)速，r/min；p1為泵進(jìn)口壓力，MPa；p2為泵出口壓力，MPa；PJ為機(jī)封熱功率，kW；PZ為軸承熱功率，kW；PD為電機(jī)功率，kW；PR為繞組熱功率，kW。

通過流體有限元分析軟件Pumplinx，對本算例過氧化氫泵進(jìn)行流動-溫度耦合仿真計算，來求解多個狀態(tài)下泵內(nèi)溫度場分布情況。本算例采用基于二叉樹算法的笛卡爾網(wǎng)格，對泵葉輪、蝸殼、進(jìn)口、機(jī)械密封腔、軸承腔、繞組冷卻流道以及回流管道進(jìn)行劃分，總計網(wǎng)格數(shù)量為1 205 343個。對重點(diǎn)部位使用Pumplinx間隙網(wǎng)格工具進(jìn)行加密劃分。采用非定常數(shù)值模擬方法，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、殘差均值控制在小于10-3、控制方程差分格式壓力項(xiàng)采用迎風(fēng)格式，速度項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。邊界條件對泵進(jìn)口設(shè)置為總壓進(jìn)口，蝸殼出口設(shè)置為給定流量出口；傳熱模型對機(jī)械密封、軸承套、繞組冷卻套三處根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行熱流量附值，泵進(jìn)給定溫度300 K，蝸殼出口設(shè)為熱流量出口，其他壁面均為絕熱邊界。各狀態(tài)泵內(nèi)過氧化氫壓力場分布及溫度場分布如表4和表5所示。

表4 不同狀態(tài)泵內(nèi)流場壓力分布

表5 不同狀態(tài)泵內(nèi)流場溫度分布

表4中，p3為機(jī)械密封腔壓力，MPa；p4為軸承腔壓力, MPa；p5為螺旋流道壓力，MPa；p6為回油管道壓力，MPa。表5中，m2為冷卻流量, kg/s；T1為泵進(jìn)口溫度，K；T2為泵出口溫度，K；T3為機(jī)封后溫度，K；T4為軸承腔溫度，K；T5為螺旋流道腔溫度，K；T6為回油管路溫度，K。泵內(nèi)過氧化氫溫度分布情況見圖7。

(a)No.1 temperature distribution (b)No.2 temperature distribution

(c)No.3 temperature distribution

3.2 計算結(jié)果分析

(1)從計算結(jié)果可知，3個計算工作狀態(tài)中，在狀態(tài)No.1回油管道部位，泵內(nèi)過氧化氫溫度達(dá)到最大值為319.6 K，相對于進(jìn)口溫度溫升小于20 K?？梢?，以誘導(dǎo)輪后與泵進(jìn)口壓差建立的冷卻流道，可實(shí)現(xiàn)將電動泵全工作狀態(tài)下過氧化氫介質(zhì)溫升控制在安全溫度范圍。

(2)對比三個狀態(tài)下冷卻流道的溫升發(fā)現(xiàn)，狀態(tài)1時冷卻流道的溫升幅度遠(yuǎn)大于另外兩個狀態(tài)。分析其原因是由兩方面構(gòu)成：1)受泵高轉(zhuǎn)速影響，狀態(tài)1軸承和繞組熱功大于狀態(tài)2和狀態(tài)3；2)狀態(tài)1轉(zhuǎn)速雖然大于狀態(tài)2和狀態(tài)3，有利于提高誘導(dǎo)輪后壓力，增加冷卻流量。但由于出口流量過大，導(dǎo)致泵進(jìn)口動壓降NPSHr數(shù)值增大，反而降低了誘導(dǎo)輪后的壓力、進(jìn)而減少了冷卻流量。由此可見，轉(zhuǎn)速和流量均是影響電動泵冷卻介質(zhì)溫度的主要參數(shù)。在控制模式多樣的組合發(fā)動機(jī)中，一定要結(jié)合發(fā)動機(jī)各工況下的轉(zhuǎn)速、流量特性，開展誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計與泵性能校核，保證泵內(nèi)過氧化氫在安全溫度范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文面向火箭沖壓組合發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)模式多樣的特點(diǎn)，提出通過過氧化氫/煤油電動泵供應(yīng)系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的渦輪泵系統(tǒng)將更具優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，針對過氧化氫介質(zhì)高溫不穩(wěn)定性及介質(zhì)相容性特點(diǎn)，開展了基于電機(jī)驅(qū)動的過氧化氫電動離心泵一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。

(1)通過利用離心泵誘導(dǎo)輪后與泵進(jìn)口之間的壓差設(shè)置的冷卻流道，控制泵內(nèi)各生熱部位的溫度，并結(jié)選取過氧化氫相容性二級以上材料，可保證高濃度過氧化氫的使用安全性，可為一體化電動過氧化氫泵設(shè)計提供參考。

(2)對多個發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)下電動泵外特性及過氧化氫冷卻流場的溫度，通過Pumplinx進(jìn)行仿真計算，計算結(jié)果顯示泵性能滿足設(shè)計要求、水力效率在全工況下均較高，過氧化氫冷卻流場溫度均在安全范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。

后續(xù)將在本結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，開展電動過氧化氫泵系統(tǒng)的試制與驗(yàn)證工作。