半开式离心泵叶顶间隙对泵性能稳定性的影响

第卷第期火箭推进年月半开式离心泵叶顶间隙对泵性能稳定性的影响毋杰，徐楠，杨大昱，刘军年西安航天动力研究所，陕西西安摘要：为提高火箭发动机涡轮泵性能稳定性，应用边界层理论进行了半开式离心泵叶顶间隙流动特性研究，利用边界层动量积分方程对叶顶间隙内边界层厚度进行求解，并开展了不同叶顶间隙泵性能试验及流场数值模拟研究。结果表明，当叶顶间隙值等于间隙内边界层厚度值时，间隙泄漏涡不再增强，可获得稳定的泵性能；当叶顶间隙过大，会使泵容积效率降低，导致泵性能急剧下降。该理论方法可作为设计过程确定半开式离心泵叶顶间隙的重要参考。关键词：半开式离心泵；叶顶间隙；边界层；泄漏涡；数值模拟中图分类号：文献标识码：文章编号：’’，：，：收稿日期：修回日期：作者简介：毋杰（—，男，硕士，研究领域为流体机械与工程30 火箭推进二二年月引言叶顶间隙流动理论分析上面级火箭发动机涡轮泵设计结构紧凑，工叶顶间隙内速度三角形作中涡轮高温会使与之相临的泵壳体受热变形，对叶顶间隙内的液体流动特点进行分析，工同时轴承有轴向游隙，在轴向力作用下，转子会作中叶轮叶顶以线速度转动，在液体粘性作用有一定的轴向位移，这都使工作中叶轮叶顶间隙下，间隙层内叶顶附近流体以速度《跟随叶顶旋发生变化。该间隙变化会导致泵性能不稳定，影转，但间隙内液流相对滞后，因此在叶顶间隙内响发动机性能可靠性。因此，开展叶顶间隙对半会形成与叶轮旋转方向相反的相对流动，相对速开式离心泵性能影响研究具有重要意义。度为《；。叶顶间隙内液体流动速度三角形见图。随着计算机和计算流体力学的发展，国内外许多学者对叶顶间隙内流动开展了大量研究。研究结果均表明，叶顶间隙内存在多种流动损“、失，叶顶间隙的增大会使菜扬程和效率都有所降低。但此类研究都处于理论摸索阶段，缺乏工程应用背景。一本文以某上面级发动机用半开式低比转速离心泵为研究对象，应用边界层理论对叶顶间隙内（远离叶顶区域流动进行分析，开展了菜性能式验及流场数值模图叶顶间隙内液体流动速度三角形拟研究，给出了适用于上面级发动机的半开式离心泵的叶顶间隙确定方法，既保证泵的高性能，又保证泵性能的稳定。间隙层内远离叶顶区域，液体粘性作用力较■弱，在力面、吸力差作用下，液体半开式；禹心粟结构特点与叶轮旋转方阳相反。研究的半开式叶轮无前盖板，叶片采用单圆边界层论应用弧直叶片，叶片与后盖板为一体结构，叶片顶部近似认为叶顶端面为一平面圆盘，根据边界与壳体端面组成叶轮叶顶间隙。为提高泵汽蚀性层理论，当间隙内相对流动雷诺数办，能，在离心轮前设置诱导轮（见图。泵额定转间隙内叶顶附近区域形成紊流边界层（粘性区），速为，设计比转速为。边界层内液流与通道内主流相互作用，这是形成叶轮通道内泄漏涡的主要原因，且边界层越厚，轮通道内泄漏涡越强；距离叶轮叶顶较远的区域，受叶轮的影响小，形成外部势流区，在叶片压力面与吸力面压差、叶轮出口与叶轮入口压差作用：下，液体回流至叶片入口，形成泵前回流，使泵的容积效率降低。龍丨、離标舰。可将叶轮叶顶间隙变化对性能影响分以下情况：图半开式离心栗结构示意图当叶顶间隙小于边界层厚度时，泄漏祸为间隙损失的主要来源，且随着间隙的增大边界层逐步发展，泄漏祸不断增强，栗性能迅速降低。第卷第期毋杰，等：半开式离心泵叶顶间隙对泵性能稳定性的影响士曾女冤的穷和效座路低夂，”泵前回流由此可见：、边界层厚度是确定合理叶顶间隙和保证泵性能稳定的重要参数，可根据边界层相对速度动量积分方程进行近似求解。紊流边界层§间隙‘査、紊流边界层厚度分布方程见式：——式中：为紊流边界层厚度，为流动雷诺数；为特征长度，为边界层外势流速度，图叶顶间隙内流动示意图为介质运动粘性系数，。本文所研究半开式叶轮为个叶片，取计算半径处（叶片入口处、中径处、出口处）叶轮周当叶顶间隙等于或略大于边界层厚度长的作为特征长度；边界层外势流速度可时，叶轮通道内泄漏涡不再增强，流动基本稳取计算半径处叶轮旋转线速度。叶片入口、叶片定，泵性能也相对稳定。但如果进一步增大叶顶中径及叶片出口处叶顶间隙内边界层厚度计算结间隙，外部势流区逐渐形成，此时泵前回流流量果见表。表边界层厚度计算结果位置特征长度相对值雷诺数边界层厚度相对值叶片入口叶片中径叶片出口注：为叶轮外径边界层厚度与舰宽度？成正比，沿径向方向，由叶片入口至出口，间隙内边界层厚数值计算方法度近似为线性增大趋势。叶片入口处边界层最为研究叶顶间隙内流动现象及不同间隙对薄，说明叶片人口叶顶对间隙内液体的控制力相离心轮性能的影响，采用数值模拟方法对不同对较弱，在叶片压力面与吸力面压差作用下，叶叶顶间隙下整个泵机组流场进行了数值计算。片入口叶顶附近会首先出现跨叶顶泄漏，而类似诱导轮、离心轮计算域采用结构化网格、单通流动在叶片出口附近出现较晚。道域划分的方式，蜗壳采用了非结构化网格。对于本文中半开式叶轮，叶片出口边界湍流模型采用标准两方程模型：数值计算层厚度为整个叶顶间隙内紊流边界采用有限体积法进行离散，动量项等采用二项层与势流区的分界线，当叶顶间隙值等于该值迎风格式。计算中采用旋转坐标系，进口条件时，则叶片通道内泄漏涡损失不再增加，流动趋为人口总压，出口条件为流量出口，固壁面采于稳定。用无滑移边界条件。32 火箭推进年月数值计算结果分析对叶顶间隙为时，叶轮出口处有明显的高图所示为叶轮子午道内的总压分布，相对压区，而当相对叶顶间隙为时，叶轮出口叶顶间隙为叶顶实际间隙与叶轮外径比值。高压区明显减少，且等压线分布更不均匀。说明由图可知，沿径向从叶轮入口至出口，总随着叶顶间隙的增大，泵性能不断降低。压逐渐增大，等压线在叶轮出口处分布不太均图所示为叶轮通道内的速度流线随叶顶间匀。随着叶顶间隙的增加外侧总压逐渐降低；相隙的分布情况。嗎零。。。邏；：■—■相对叶顶间隙相对叶顶间隙相对叶顶间隙图叶轮子午流道总压分布图■相对叶顶间隙相对叶顶间隙相对叶顶间隙图叶顶间隙内流线图由图可知：不同叶顶间隙下，均存在跨叶界层厚度小，会首先出现间隙泄漏，而在叶片出顶间隙泄漏，叶顶间隙越大，间隙泄漏越严重。口附近出现较晚。当相对叶顶间隙为时，跨叶顶流线只在叶叶轮子午流道内速度矢量分布见图。片进口叶顶附近出现；相对叶顶间隙为时，由图可知，叶顶间隙层内存在从叶轮出口叶片进口、叶片中部均出现间隙泄漏；当相对叶至叶轮入口的泵前回流。该回流与主流相互作顶间隙为时，包括叶片进口、中部及尾部，用，在叶轮人口靠近前盖板附近形成旋涡；受涡整个叶片均出现了明显的叶顶间隙泄漏。该计算壳内高压影响，在叶片出口靠近前盖板附近也会结果也印证了前文分析的由于叶片进口间隙内边形成旋涡，且随着叶顶间隙的增大，泵前回流流第卷第期毋杰，等：半幵式离心泵叶顶间隙对泵性能稳定性的影响、：■畤。、丨■丨■门》”“》山参：、；今：：；■■■。■接邊驢———相对叶顶间隙相对叶顶间隙相对叶顶间隙图叶轮子午流道速度矢量图量增大，这两个旋涡不断增强；当相对叶顶间隙为时，可以明显删到叶片人口及出口的财丨勸升丸两处涡流，且在两个旋涡相互作用下，导致叶片为分析叶顶间隙对泵性能的影响，在中部也出现了涡流。相对叶顶间隙范围，进行了泵性能试验，该现象说明，叶顶间隙进一步增大，泵前回获得了不同间隙下泵外特性曲线，并与数值计算流增大，不但会增加容积损失，降低泵容积效结果进行了对比。率，同时受回流影响，沿叶轮子午流道会形成不图示出设计流量点下，泵扬程、效率随叶同程度的涡流，还带来更多的流动损失。顶间隙变化曲线。试验值试验值—计算值计算值、、：：、■■、、‘“相对叶顶丨輔相对叶顶间隙泵扬程叶顶间隙变化曲线（泵效率叶顶间隙变化曲线图设计流量点泵扬程、效率随叶顶间隙变化曲线34 火箭推进年月从图可知，计算扬程变化与试验结果较一该边界层实际厚度在左右，与理论计算值致，计算效率值高于试验值约。这是因为数较接近。本文介绍的边界层理论方法可作为设计值计算未考虑到密封、轴承等机械功率损失，对过程确定叶顶间隙的重要参考。于小功率泵，机械损失对泵效率有显著影响。叶顶间隙较小时，泵性能较高；随叶顶间隙夂增大，泵扬程、效率逐渐降低。相对叶顶间隙在范围内，泵效率下降趋势不明显，几乎不随间隙变化，性能相对稳定，但相对叶細—隙大于时，泵效率再次迅速降低。扬程变张剑慈崔宝玲开式离心叶轮内部流道的数值模拟试验及数值模拟结果均印证了边界层理论的机械工程学报分析结果。对于本文研究对象’其叶顶间隙内实，，际素流边界层相对厚度在左右，与计算值接近；当叶顶间隙大于该值，则间隙内紊流边界层不再发展，粟性能较稳定；但如果进一步，增大间隙，间隙内的回流损失以及由回流带来的，沿流道涡流损失会迅速增大，导致泵性能的急剧’°下降。因此，保证泵性能稳定的最佳相对叶顶间°隙范围为。结论毛佳妮，曹紫胤抑制叶顶间隙泄漏的叶轮机械叶片的对于液体火箭发动机用半开式离心果，流场模拟热能动力工程为保证泵性能稳定，推荐叶顶间隙值在其间隙内朱祖超小流量切线泵设计与应用水泵技术紊流边界层厚度值附近选取。对于本文研究对象，计算叶顶间隙内紊景思睿，张鸣远流体力学西安：西安交通大学出版流边界层相对厚度为，根据泵外特性试验，，编辑：王建喜）