涡轮冲压组合发动机供水泵设计与试验

柏文峰，李 昆

(中国航发控制系统研究所，江苏无锡214063)

1 引言

新世纪以来，空间低成本投送、对超远程目标的快速打击及全球范围的高速运输等，都使得对远程和高超声速的空天飞行器的需求日益增加。高超声速空天飞行器的发展面临一系列技术挑战，其中动力是决定性因素之一。相比于其他动力，涡轮冲压组合(TBCC)发动机更符合高超声速空天飞行器对动力的需求[1]。世界各航空强国对此开展了大量研究，如美国的TBCC/RTA计划[2-3]、德国的Sanger计划[4]、日本的HYPR计划[5]等。但从目前发展情况看，TBCC发动机无论是采用串联还是并联形式，均存在高速涡轮发动机、宽马赫数工作范围冲压发动机以及综合热防护与热管理等技术难题。考虑到现有技术基础，采用射流预冷系统基于涡轮风扇发动机开展空天动力研究，对原涡轮发动机继承性强，改动量小，尤其适于发掘现有型号的潜力，满足国内空天飞行器对动力的迫切需要[6]。

作为TBCC发动机重要系统之一的射流预冷系统，其高压力、大流量离心式供水泵的设计是关键。供水泵的主要功能是在射流预冷系统工作时，通过涡轮发动机所提供的燃油控制打开进口活门，提供一定流量与压力的水；射流预冷系统不工作时，进口活门关闭，另提供自循环冷却的水。由于离心泵具有尺寸小、抗气蚀以及污染能力强等优点[7]，被广泛用于航空以及民用液压产品中。在航空发动机燃油系统中，离心泵常作为增压泵使用，但增压值一般不超过1.0 MPa。因此，现有的航空产品无法满足大流量、高压力供水泵需求，而这类离心泵设计方法目前国内鲜有研究。同时，依据传统离心泵设计方法，需经历理论计算[8-9]、模型、样件、试验、修模再到样件的循环设计过程，迭代周期长，成本较高。随着现代设计手段的提高，特别是CFD技术[10-11]的成熟，根据CFD流场仿真结果修正模型，再进行试验，可大大缩短设计迭代的时间。本文以传统的理论计算为基础，借助CFD仿真手段设计了供水泵，其结构为非接触离心式供水泵，可以在任意流量下工作，且没有回水循环，可控制介质温度升高过快。供水泵的试验结果与仿真结果对比证明，设计的供水泵满足设计要求，为涡轮冲压组合发动机的研制打下了基础。

2 供水泵关键参数设计

一般而言，射流预冷系统工作时，供水泵流量达18 000 L/h，出口压力达5 MPa以上；而不工作时，流量又接近0。长时间旋转但不供水的工况，会产生大量功耗损失导致温度升高。因此，需设计一组引射器，从叶轮背部引水经引射器回水箱进行冷却；同时在蜗壳表面设计一圈冷却流道，达到充分散热的效果。此外，供水泵工作涉及到水、控制用燃油等介质，为满足耐腐蚀要求，供水泵蜗壳选用铝镁合金，表面硬质阳极化处理，叶轮和扩散管采用钛合金材料；为满足介质间的动密封要求，选择格兰圈与石墨环机械密封形式。

2.1 设计性能要求

供水泵的主要性能指标：泵进口压力0.4～0.5 MPa；泵输出流量为18 000 L/h时出口压力不小于5.4 MPa，泵输出流量为0时出口压力不大于6.0 MPa；泵的最高转速为22 000 r/min，最大传动功率不大于80 kW，工作环境最高温度为165℃。

2.2 性能参数设计

(1)设计点

供水泵的设计点为：进出口压差Δp=5 MPa，输出流量Q=18 000 L/h，额定转速n=22 000 r/min。

(2)扬程

式中：ρ为水的密度，g为重力加速度。

(3)比转速

根据离心泵比转速，可估算泵的总效率η=0.57。

(4)输入扭矩

2.3 叶轮设计

(1)轮毂半径

式中：[τ]为许用剪切应力。考虑安全余量，取D=33 mm。

(2)进口直径

式中：D0为进口当量直径，按照进口流速推荐值取44 mm。

(3)出口直径

离心泵出口圆周速度[8]：

式中：vm2为出口轴面速度；β2为叶片出口角度，取14°；H∞表示无限叶片数的扬程。

离心泵出口直径：

(4)叶轮宽度

式中：kb为叶轮出口宽度系数。

(5)叶片数

式中：β1为叶片进口角度，取21°。

2.4 蜗壳设计

(1)基圆直径

式中：kD3为基圆直径系数，取1.09。

(2)进口宽度

式中：a为叶轮盖板厚度；c为常数，一般为0.002～0.008 m，取0.004 m。(3)断面面积

式中：v3表示蜗壳中液流速度。

2.5 扩散管设计

扩散管的作用是以最小的损失将叶轮出口的一部分动能变成压力能，使流入压出管路的水流速满足要求。为此，扩散管的扩散角不能过大，否则水力损失会增加。扩散角一般为8°～12°，取10°。

3 建模与仿真

3.1 模型处理

使用UG软件绘制供水泵过流部件结构三维模型(图1)，并抽取充满水介质的内部流道三维模型(图 2)。

3.2 网格划分及边界条件

使用流场仿真软件PumpLinx将供水泵模型切分成不同功能块，通用功能块可根据结构相似自动优化网格。供水泵属于离心式叶片泵，主要包括进口区、出口区和增压区三个功能块。不同功能块之间重叠的部分建立交互面，交互面上的流体特性相同。利用PumpLinx对供水泵的三个功能区分别进行网格划分，如图3所示。网格大部分为六面体网格，增压区网格密度约为进出口区的2倍。

对于离心式泵，边界条件一般设置进口压力和出口流量，仿真得到出口压力。此处进口压力设置为 0.4 MPa，出口流量分别为 1 000、3 000、6 000、16 000、18 000 L/h。

3.3 收敛性准则

采用PumpLinx进行流场仿真。其中，稳态仿真用来判断供水泵仿真的收敛性及其流量压力特性，瞬态仿真得到供水泵流场随时间变化的过程。对于瞬态仿真，每个仿真步均应达到收敛标准。用稳态仿真结果作为初始条件，可大大提高瞬态仿真的收敛性。PumpLinx使用相对残差作为收敛标准，对于供水泵相对残差值一般设置为0.1。

3.4 仿真结果

通过仿真得到供水泵设计点的压力分布，见图4。可看出，介质经过叶轮作用压力能增大，在出口扩散管端进一步将速度能转化为压力能，从而使供水泵出口压力持续增高。

图5为PumpLinx仿真单时间步残差曲线。仿真误差随着迭代步数的增加而逐步降低，经过8步仿真迭代计算，各性能参数仿真的相对误差均达到0.1以下，仿真过程收敛性较好。

仿真得到供水泵出口压力随时间的变化曲线，见图6。可见，供水泵初始转动时出口压力波动较大，之后逐渐趋于稳定。压力脉动频率约为1 800 Hz，与根据供水泵转速及叶轮叶片数计算的理论脉动频率1 833 Hz基本一致。供水泵额定转速时，仿真得到各流量点的出口压力值，结果见表1。

表1 压力-流量特性仿真结果Table 1 Simulation results of pressure and flow characteristic

4 试验验证

图7示出了供水泵性能试验原理图。水箱里的水经过低压泵增压进入供水泵进口，然后从出口引出，经过压力调节阀回到水箱中。在供水泵进、出口处分别设置压力计1与压力计2实时测量进口和出口压力，在出口处设置流量计1实时测量出口流量。滑油箱中的滑油经过滑油泵进入供水泵传动系统以润滑和冷却轴承。

通过试验器调节低压泵转速，给定供水泵进口压力为0.4 MPa。测试了额定转速下不同流量对应的供水泵出口压力。表2为压力-流量特性试验结果。

表2 压力-流量特性试验结果Table 2 Test results of pressure and flow characteristic

图8给出了额定转速时流量分别为1 000、31 000、61 000、161 000、181 000 L/h下的进出口压差值对比。由图可知，5个流量点下仿真得到的进出口压差平均值为5.02 MPa，试验得到的进出口压差平均值为5.15 MPa，二者误差较小，为2.6%，可见仿真可信性较高。

对于离心泵，其扬程与流量的理论关系为：

供水泵额定转速下，根据下式，流量18 000 L/h与流量0对应的扬程差为92 m。

根据扬程计算对应的压差值为0.92 MPa。考虑到非设计点下供水泵水力损失较大，小流量情况下出口压力相比理论值小得多，因此两流量点之间的实际压差相比理论计算值更小——试验得到供水泵在工作流量范围内进出口压差仅为0.10 MPa。

5 结论

通过理论计算、建模仿真和试验验证表明，所设计的供水泵在泵输出流量为18 000 L/h时出口压力不小于5.4 MPa，达到了TBCC发动机对供水泵的设计要求，实现了预期目标。仿真结果与试验数据误差仅2.6%，具有较高的置信度。此外，对于离心式泵类产品常见的气蚀等流场现象，随着CFD技术的发展，后期可以利用流场仿真等方法做进一步研究。

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