诱导轮空化对流固耦合应力分析的影响

2012-10-15褚宝鑫张晓娜姜绪强

火箭推进 2012年2期

褚宝鑫，须村，张晓娜，姜绪强

（北京航天动力研究所，北京100076）

0 引言

诱导轮是涡轮泵的重要部件之一，其强度性能关系到涡轮泵的运行安全和可靠性。目前国内外对于诱导轮强度均没有形成系统完善的经验及一维计算方法，因此在诱导轮设计阶段均采用有限元软件进行强度分析。受计算模型和硬件等的限制，目前型号研制中对诱导轮的应力计算通常只考虑涡轮泵转速带来的离心力影响，而不考虑流体压力和空化的影响，但目前国内外的许多研究表明，除转速带来的静应力外，空化及流体压力分布也是造成诱导轮叶片较高应力的主要原因。

本文采用ANSYS系列软件对某型号诱导轮进行了空化情况下的CFD流场计算，得到了比不考虑空化更准确的叶片表面压力分布。利用单向流固耦合方法对诱导轮进行有限元结构应力计算，分析了其设计工况下的静应力分布情况并与不考虑空化情况下的诱导轮静应力计算结果进行了比较，为诱导轮的强度可靠性分析和改进提供了重要依据。

1 诱导轮流场的CFD仿真

1.1 计算方法及模型

诱导轮叶片的进口边对空化的影响较大，因此编制程序对进口修圆及修磨进行了准确造型，之后利用Solidworks软件构建了诱导轮的简化三维实体模型，如图1所示。利用Gambit2.2.30软件建立了CFD仿真计算流道模型，流道模型整体采用四面体进行网格划分，网格的单元总数约为55万左右，如图2所示。模型进行了如下假设和简化：

1）计算区域只局限在诱导轮附近且不考虑离心轮对诱导轮内流场的影响；

2)轴端螺钉部分简化为半球形和圆柱形，壳体和导流套简化为圆柱形外壁，诱导轮后流道简化为圆柱形；

3）忽略诱导轮叶片与轮毂间圆角对流场的影响。

流场计算采用ANSYS FLUENT 12.0.16软件进行，计算介质为液氧和气氧，并视为不可压粘性流体。边界条件设置为：流道入口为速度进口；流道出口为压力出口；诱导轮和壳体等固体壁面给定无滑移壁面边界条件。计算模型及求解器设置如下：湍流模型采用标准K-epsilon模型；多相流模型采用Mixture模型；空化模型选择Schnerr-Sauer模型，模型中的系数均使用FLUENT默认推荐数值。模型公式和参数在FLUENT帮助文件中有详细说明，不再详述。

1.2 计算结果

对该诱导轮在引入空化模型和不引入空化模型的情况下分别进行了计算，两种计算工况下的边界条件完全相同。计算获得的诱导轮叶片流体压力分布对比见图3，诱导轮的扬程和效率结果对比见表1。引入空化模型时计算获得的的诱导轮流道内气相体积份额分布见图4。

由图3和图4可知，在额定进口压力、转速和流量下，该型号诱导轮叶片进口的吸力面附近存在明显的空化区，并且呈现出在叶片径向上较窄，沿叶片周向延伸较长的狭长形态。计算获得的空化区位置与该型号诱导轮参加发动机试车后偶尔观察到的叶片轻微汽蚀麻点区域基本一致。

同时还注意到，诱导轮的空化区位置主要集中在叶片进口打磨面后的叶尖附近，与非空化流场计算中的叶片低压区位置不完全一致，非空化流场计算中的叶片低压区位置位于叶片前缘叶尖处。这是由于考虑空化后，空化改变了流场内的局部流动状态，使得原低压区压力分布发生了变化，从而导致空化区移至打磨面后。这个现象在我国其他研究所和美国NASA及法国宇航局的实验和数值研究中也得到了证实。

根据表1可以看出，在引入空化模型时，诱导轮的扬程和效率计算结果均明显低于非空化流场计算结果。这是因为该型号诱导轮额定工况下的空化区域较大，因此考虑空化后，空化对流场内的流动状态及压力分布影响较大，进而导致流道内损失和出口压力的变化。

表1 诱导轮扬程和效率计算结果Tab.1 Computed efficiency and delivery head of inducer

2 诱导轮的强度分析

2.1 有限元计算模型

对诱导轮的有限元强度计算使用ANSYS WORKBENCH软件进行。采用四面体进行网格划分，网格的单元总数约为50万，有限元网格模型如图5所示。计算的边界条件设置包括位移约束、离心力、叶片和轮毂的表面压力。其中位移约束为固定轮毂大端面的轴向和切线位移为0，径向位移自由。叶片和轮毂的表面压力由软件从全流道流场计算的结果中引入。

2.2 计算结果

针对上述有限元模型分别在不引入流体压力边界、引入空化计算流体压力边界和引入非空化计算流体压力边界三种情况下进行了计算，三种情况下获得的诱导轮Von Mises等效应力分布和位移分布见图6。

由计算结果知，在不考虑流体压力边界即仅考虑旋转影响时，计算获得的该型号诱导轮Von Mises等效应力最大值位于叶片出口边与轮毂相接处，为58.8 MPa。最大位移发生在叶片出口边外径处，其变形为0.029 6 mm，变形方向基本为轴向。最大应力发生在出口边根部应是出口边修磨的影响，造成在离心力作用下向非修磨面倾斜，从而在出口边叶片根部产生较大的应力。

引入非空化计算流体压力边界后，计算获得的Von Mises等效应力最大值位于诱导轮叶片进口边工作面的叶面中部，为181.2 MPa。最大位移发生位置与引入空化计算流体压力边界的计算结果接近，位于诱导轮叶片进口边修圆与不修圆相接的外径处，其变形为0.588 mm。无论是最大应力还是位移都与不考虑流体压力影响时发生了较大变化。这主要是由于该型号诱导轮为等螺距诱导轮且进口冲角较大，因此在叶片进口边的工作面和非工作面产生了较大的流体压力差且工作面流体压力高于非工作面，在流体压力的作用下进口边发生较大变形，向泵前倾斜，从而在叶片工作面根部产生较高的应力。

引入空化计算流体压力边界后，计算获得的Von Mises等效应力最大值位于诱导轮叶片进口边修圆与不修圆相接的工作面轮毂附近，为149.5 MPa。最大位移发生在诱导轮叶片进口边修圆与不修圆相接的外径处，变形为0.393 mm。最大应力和位移相比不考虑空化时均有所增加。这是由于考虑空化的情况下，由于叶片进口非工作面空化区的影响，降低了工作面与非工作面的压力差，从而降低了叶片的应力和变形。

以上计算结果表明该型号诱导轮的最大应力主要是由流体压力造成的，如不考虑流体影响而只在单一离心力载荷的条件下进行强度计算，那么计算结果将是不准确的。同时引入空化的影响后，计算结果均有所降低。