预压涡轮泵多级轴流式液力涡轮特性研究.doc

预压涡轮泵多级轴流式液力涡轮特性研究高压补燃氢氧火箭发动机采用预压涡轮泵技术能有效提高推进剂泵的抗汽蚀性能,并大大减轻火箭贮箱的重量。氧预压泵一般通过轴流式液力涡轮驱动,而目前国内外关于此类涡轮的研究资料较少,对于其内部流场结构、流动损失机理尚不明确。针对此问题,本文主要开展了如下工作:(1)在参考AMDC损失模型的基础上建立了预压泵多级轴流式液力涡轮的一维设计方法,采用模块化设计思想,基于Python编写了一套用于多级轴流式液力涡轮一维设计的程序,并研究了相关参数对设计结果的影响。(2)以SSME所采用的多级轴流式液力涡轮为原型,对无间隙和有间隙时的液力涡轮流场进行了数值仿真,获得了其内部详细流动结构,捕捉到了马蹄涡、通道涡、泄露涡等涡系结构,分析了叶栅通道中的涡系发展过程、熵增分布,发现其流动规律与小展弦比的气涡轮存在较大相似性。(3)数值研究了叶尖间隙对液力涡轮性能和流动结构的影响。叶尖间隙增加会导致涡轮性能显著下降,间隙比每增加1%,涡轮流量将平均增加0.95%,效率将平均下降2.1%。叶尖间隙增大会导致更多比例的流体通过叶尖间隙,并且通过静叶叶尖间隙的泄漏量要大于动叶叶尖间隙。叶尖间隙区存在沿压力面边缘分布的分离泡结构,间隙增大会使得分离泡扩大。端壁相对于叶片的运动,会增强端壁附近的通道涡和阻碍间隙泄漏流动,并可能在叶尖表面出现回流区。在动叶叶栅中,泄漏流流出间隙时会在吸力面附近形成泄漏涡,并与上下通道涡、主流相互掺混,形成较大损失。并且间隙越大,泄漏涡强度和尺度越大,由此带来的流动损失也越大。而在静叶叶栅中,则没有捕捉到明显的泄漏涡,主要原因是受到上游动叶出口流动的影响,静叶间隙泄漏流被上游流动卷吸。(4)进行了液力涡轮的变工况数值计算。级速比的变化直接使得叶栅进口来流攻角发生改变。攻角的变化会对叶尖间隙前半部分流动造成明显影响,后部间隙流主要受吸压力面压差力驱动而受攻角变化影响较小。最后比较了水和液氧分别作为工质时的区别,发现相同级速比下的两者效率值相差较小,水工质计算得到的效率值可以通过雷诺数修正来得到液氧工质条件下的效率值,并给出了修正公式。