变螺距诱导轮出口角对氢泵流场及性能的影响

贺雷 曹耀

摘  要：為了研究变螺距诱导轮出口角对氢泵流场及性能的影响，以某型液体火箭发动机带变螺距诱导轮的氢泵作为研究对象，选取3种诱导轮出口角（轮缘），分别为12°、14°和16°，采用数值仿真的方法分析了不同诱导轮出口角对氢泵流场分布、水力性能和汽蚀性能的影响，并且进行试验验证。结果表明：适当增大诱导轮出口角，可以改善诱导轮出口的流场分布；在一定范围内增大诱导轮出口角，氢泵不同流量点的扬程和总效率都会获得提升，但是继续增大出口角到16°时，氢泵扬程提升效果减弱，且总效率有所下降；随着诱导轮出口角增大，氢泵的汽蚀性能先提升后降低。

关键词：氢泵  变螺距诱导轮出口角  水力性能  数值仿真

中图分类号：V245

The Influence of the Outlet Angles of Variable-Pitch Inducers on the Flow Field and Performance of Hydrogen Pumps

HE Lei*  CAO Yao

（Beijing Aerospace Propulsion Institute， Beijing， 100076 China）

Abstract： In order to study the effect of the outlet angles of variable-pitch inducers on the flow field and performance of hydrogen pumps， this paper takes a hydrogen pump with the variable-pitch inducer of a certain type of liquid rocket engine as the research object， selects three types of the outlet angles （wheel rims） of the inducer， which are 12 °， 14 ° and 16 °， respectively， uses the numerical simulation method to analyze the influence of different outlet angles of the  inducer on the flow field distribution， hydraulic performance and cavitation performance of the hydrogen pump， and carries out experimental verification. The results show that increasing the outlet angle of the inducer appropriately can improve the flow field distribution at the outlet of the inducer， increasing the outlet angle of the inducer within a certain range can improve the head and total efficiency of the hydrogen pump at different flow points， but when the outlet angle is further increased to 16 °， the effect of improving the head of the hydrogen pump weakens and total efficiency decreases， and that the cavitation performance of the hydrogen pump first improves and then decreases with the increase of the outlet angle of the inducer.

Key Words： Hydrogen pump; Variable-pitch inducer outlet angle; Hydraulic performance; Numerical simulation

涡轮泵作为泵压式液体火箭发动机中增压输送推进剂的关键部件，需具有较好的抗汽蚀能力以适应液体火箭的低储箱压力，通常在离心泵前加装诱导轮结构以获得较好的汽蚀性能[1～3]，因此诱导轮设计的好坏决定了涡轮泵是否能够在低箱压、高转速下高效、稳定地工作。国内外关于诱导轮建立了比较完善的设计方法，但是对于诱导轮某些几何参数的选择仍有待商榷，研究人员针对诱导轮关键几何参数对泵水力和汽蚀性能的影响进行了大量的研究[4～7]，发现诱导轮出口角对氢泵的流场、水力和汽蚀性能都有重要影响。本文以某型液体火箭发动机氢泵为研究对象，氢泵结构包括诱导轮、离心轮和螺壳，其中诱导轮为3叶片前倾结构的变螺距诱导轮。通过数值仿真研究变螺距诱导轮的叶片出口角对泵流场、水力性能及汽蚀性能的影响。

• 诱导轮出口角方案介绍

氢泵变螺距诱导轮的结构方案设计为“入口等螺距段+中间变螺距段+出口等螺距段”。为了研究氢泵诱导轮的出口角对流场分布和性能的影响，根据设计经验，设计了入口角β1为8.5°，3种不同出口角β2（12°、14°、16°）的诱导轮，β1和β2分别为叶片入口角和出口角。各方案诱导轮的入口、轮毂和轮缘直径等几何参数保持相同，匹配的离心轮和螺壳几何参数不变。

• 计算模型

氢泵计算域采用Ansys Workbench Meshing划分网格，复杂几何结构区采用非结构化四面体网格，进口管延长区采用六面体网格。诱导轮叶尖和离心轮叶片前缘局部加密，总网格数约为736万。数值计算采用CFX，选用适用于旋转机械流动计算的SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型，固体壁面采用无滑移边界，动静交界面采用Frozen Rotor，压力速度耦合基于SIMPLE的标准压力修正算法。

• 诱导轮出口角对性能及流场的影响

• 出口角对氢泵水力性能的影响

将三种诱导轮方案与相同离心轮和螺壳匹配的氢泵进行仿真计算，图1和图2为诱导轮出口角分别为12°、14°和16°时氢泵的扬程和水力效率曲线，由图中可知，当诱导轮出口角由12°增大到14°时，氢泵在不同流量点下扬程和水力效率均有明显的提高；当诱导轮出口角继续增大到16°时，相比14°出口角的氢泵方案，氢泵在不同流量点下扬程和水力效率仅有小幅的提升。通过仿真结果可知，随着诱导轮出口角的增大，诱导轮的扬程和水力效率也有所提高，其中诱导轮额定流量点扬程仿真值分别占氢泵总扬程的3.6%、4.6%和5.7%，水力效率仿真值分别是63.9%、69.9%和75.2%。

• 出口角对氢泵汽蚀性能的影响

图3为氢泵额定流量下，诱导轮出口角为12°、14°和16°的汽蚀特性曲线。可以看出，以无量纲扬程下降2%时为临界空化数，诱导轮出口角为12°时，氢泵的临界空化数约为0.016 6，当诱导轮出口角增大到14°时，氢泵的临界空化数有微小的变化，约为0.016 4，但是当诱导轮出口角继续增大到16°时，氢泵的临界空化数升高到约0.024 8，氢泵的汽蚀性能变差。

为了分析诱导轮出口角对泵汽蚀性能的影响，通过汽蚀工况下的空泡分布比较不同出口角下的汽蚀性能变化情况，图4为不同出口角下誘导轮与离心轮在空化数为0.025时空泡体积分数大于8%的等值面分布图。如图4所示，诱导轮出口角为12°时，诱导轮提供的扬程太小，在诱导轮的入口压力下降过程中时，诱导轮入口的空泡较少，但是离心轮入口处已经出现空泡，且沿着非工作面向离心轮出口发展，导致氢泵的汽蚀性能较差；当诱导轮出口角为14°时，出口角的增大对诱导轮入口的汽蚀性能影响较小，如图4所示诱导轮入口的空泡分布与出口角为12°诱导轮的空泡分布相似，同时诱导轮的扬程增大，使得离心轮入口处的空泡有明显的减少，氢泵的汽蚀性能得到改善；诱导轮出口角为16°时，诱导轮的扬程进一步增大，离心轮入口处仅有少量的空泡，但是诱导轮出口与离心轮入口间出现旋涡，由图5可知，堵塞了诱导轮出口的过流面积，且诱导轮入口与出口间压差较高，导致诱导轮入口轮缘泄漏流量增多，入口回流涡强度增强，诱导轮入口处的空泡明显增多，氢泵的汽蚀性能变差。因此诱导轮出口角对氢泵的抗汽蚀性能影响主要有两方面：一方面是影响诱导轮入口的汽蚀性能，另一方面是影响离心轮入口的汽蚀性能。诱导轮出口角应与离心轮入口达到较好匹配的状态，氢泵才能获得了较好的汽蚀性能。

• 氢泵性能试验

对上述3种诱导轮方案的氢泵开展试验研究，采用闭式循环试验系统，试验工质为纯净水。

图6和图7为不同诱导轮出口角的氢泵扬程和总效率的试验曲线。由图中可知，当诱导轮出口角由12°增大到14°时，氢泵的扬程和效率均有明显的提高，氢泵不同流量点的扬程提高了0.7%～1.3%，不同流量点的效率提升了0.6%～1.4%；当诱导轮出口角继续增大到16°时，相比诱导轮出口角14°的氢泵，扬程有小幅的提升，但是效率却有小幅的下降。氢泵扬程和总效率的变化规律与仿真计算值基本保持一致；仅诱导轮出口角为16°时氢泵总效率与仿真值的预估情况不一致，分析是由于仿真时未采用全流场计算，没有考虑泄漏到离心轮进口的工质对氢泵的效率影响。

• 结论

本文采用数值仿真的方法，分别对诱导轮出口角为12°、14°和16°的某型发动机氢泵进行了流场分布、水力性能和汽蚀性能的仿真分析，并进行了相应氢泵的试验验证，得到以下主要结论。

（1）对于变螺距诱导轮，诱导轮出口角较小时，诱导轮出口轮缘处存在旋涡，增大诱导轮的出口角，可消除诱导轮出口轮缘旋涡，并且使得诱导轮出口流量沿半径方向的分布更加均匀，对诱导轮的流场有较明显的改善。

（2）适当增加诱导轮出口角，可显著提高氢泵的扬程和效率，但是诱导轮出口角太大时，氢泵扬程提升的效果降低，且会导致氢泵的效率下降。

（3）当诱导轮出口角较小，无法满足离心轮不发生汽蚀时，适当增大诱导轮出口角，可以提高氢泵的抗汽蚀性能，但是当诱导轮出口角太大时，会导致氢泵汽蚀性能快速降低。

参考文献

[1] 李欣，肖立明，刘畅，等.变螺距诱导轮的气蚀性研究[J].火箭推进，2017，43（2）：1-8，17.

[2] 项乐，陈晖，谭永华，等.诱导轮空化流动特性实验研究[J].农业机械学报，2019，50（12）：125-132.

[3] 项乐，许开富，陈晖，等.液体火箭发动机涡轮泵低温空化实验研究进展[J].航空学报，2023，44（7）：24-42.

[4]  杨敬江，刘成强，程汇龙，等.出口环量分布对泵诱导轮性能的影响[J].排灌机械工程学报，2019，38（1）：18-24.

[5]  杨宝锋，李斌，陈晖.液体火箭发动机推进剂泵诱导轮与离心轮的匹配[J].航空学报，2019，40（5）：86-98.

[6]  冷洪飞，姚志峰，汤远，等.微型离心泵诱导轮与叶轮轴向距离匹配特性[J].农业工程学报，2020，36（12）：47-53.

[7]  车雪娇，陈晓，徐曼君，等.入口安放角对诱导轮汽蚀性能的影响[J].水泵技术，2022（5）：1-6.