渦輪泵是液體推進(jìn)航天發(fā)射系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，主要在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的供給系統(tǒng)中，用來(lái)克服燃燒室壓力，提供足夠的推進(jìn)劑流量，從而使得火箭能夠獲得較高的推力。

基于降低總重、提高轉(zhuǎn)速、降低推進(jìn)劑儲(chǔ)存罐壓力的需求，以及最大限度提高發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)壽命周期可靠性的目的，需要對(duì)渦輪泵的性能進(jìn)行優(yōu)化提升。

誘導(dǎo)輪是渦輪泵中的重要結(jié)構(gòu)，其作用是提高進(jìn)口壓頭，以防止下一級(jí)泵出現(xiàn)明顯空化，從而提高渦輪泵性能及穩(wěn)定性。誘導(dǎo)輪是一個(gè)帶有少量葉片的軸向葉輪，布置在離心泵葉輪的正上游，并與葉輪以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

航天發(fā)射器的渦輪泵結(jié)構(gòu)

為了方便評(píng)估誘導(dǎo)輪不同位置幾何參數(shù)對(duì)流動(dòng)的影響規(guī)律，并進(jìn)一步進(jìn)行性能優(yōu)化，需要建立誘導(dǎo)輪的參數(shù)化幾何。通過(guò)使用CAESES軟件，建立了GeoPI（Geometric Parametrizationof Inducer）系統(tǒng)，這是一個(gè)完全自動(dòng)化的項(xiàng)目工作流程，能夠通過(guò)參數(shù)構(gòu)建誘導(dǎo)輪的完整幾何結(jié)構(gòu)，并生成后續(xù)CFD分析所需的流體域模型。

GeoPI: 渦輪泵誘導(dǎo)輪的幾何參數(shù)化

 

渦輪泵誘導(dǎo)輪幾何結(jié)構(gòu)

GeoPI是一個(gè)致力于誘導(dǎo)輪部件設(shè)計(jì)的項(xiàng)目。渦輪泵誘導(dǎo)輪能夠在很強(qiáng)的氣蝕條件下運(yùn)行，以確保渦輪泵的核心部件（即葉輪）能夠在沒(méi)有氣泡的情況下工作。該部件的設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)葉輪的設(shè)計(jì)，它具有特別鋒利的前緣形狀和傾斜的葉片，以確保對(duì)工作流體的影響較小。

首先在項(xiàng)目中，通過(guò)具有四個(gè)或五個(gè)控制點(diǎn)的B樣條曲線定義輪轂和輪蓋的型線，從而確定子午通道的幾何結(jié)構(gòu)。子午通道的定義還包括葉輪的前緣及尾緣線，前緣線也可以采用樣條曲線形式，并可以定義與輪蓋、輪轂型線的夾角。

誘導(dǎo)輪所具有的特征形狀使其不同于傳統(tǒng)葉輪，項(xiàng)目中采用CAESES的feature功能創(chuàng)建誘導(dǎo)輪模型。在CAESES中創(chuàng)建葉片中弧線，并定義葉片切向角度(β)，葉片包角(θ)，以及葉片的掠角等參數(shù)。通過(guò)feature能夠在子午通道內(nèi)，沿展向生成多條葉片中弧線，基于這些曲線生成放樣曲面，并通過(guò)曲線插值控制β、θ、掠角等參數(shù)沿展向的分布。

葉片中弧線及曲面

之后定義葉片厚度參數(shù)，葉片吸力側(cè)和壓力側(cè)的厚度分布可以獨(dú)立地進(jìn)行控制，同時(shí)也可以為葉片根部及頂部定義不同的厚度分布，從而能夠生成任意形狀的葉片曲面。基于上文創(chuàng)建的中弧面，按照給定的前緣到尾緣厚度分布規(guī)律向兩側(cè)法向加厚，生成葉片曲面。

厚度分布控制曲線

葉片曲面

創(chuàng) 建葉片模型后，為方便進(jìn)行 CFD 分析，需創(chuàng)建誘導(dǎo)輪的單通道流體域，通過(guò) CAESES 的 feature 可以自動(dòng)得到葉片通道的周期性曲面，并且能夠根據(jù)葉片形狀進(jìn)行自動(dòng)變化。

通過(guò)改變定義的參數(shù)，可以獲得不同的葉片形狀。以下是改變子午流道輪廓、流動(dòng)角分布、包角分布以及葉片前緣形狀等參數(shù)的模型變化示意。

子午流道輪廓變化	葉頂型線β分布變化	葉根到葉頂θ變化

前緣形狀變化示意

基于ANSYS CFX的外部仿真流程

通過(guò)耦合各種ANSYS的軟件工具，可將流體動(dòng)力學(xué)分析集成到CAESES設(shè)計(jì)環(huán)境中。在CAESES中創(chuàng)建誘導(dǎo)輪幾何體后，將CFD流體域以TETIN格式導(dǎo)出，其中幾何體的每個(gè)部分都設(shè)置為不同顏色，這對(duì)于ICEM中的網(wǎng)格劃分過(guò)程非常有用，它使得ICEM能夠自動(dòng)識(shí)別不同的邊界。通過(guò)一系列腳本，每個(gè)不同參數(shù)的幾何都可以自動(dòng)生成計(jì)算網(wǎng)格，并建立包含空化分析的自動(dòng)化仿真分析流程。CFD分析采用雙精度求解，SSTk-ω 湍流模型，空化模型采用Rayleigh-Plesset模型。根據(jù)仿真計(jì)算得到的誘導(dǎo)輪內(nèi)空化氣泡的位置及空間大小等數(shù)據(jù)，采用由Fortran編寫的內(nèi)部代碼進(jìn)行后處理，得到空化性能目標(biāo)函數(shù)數(shù)值，對(duì)模型性能進(jìn)行評(píng)估。

CAESES和ANSYS的聯(lián)合工作流程

渦輪泵誘導(dǎo)輪的優(yōu)化結(jié)果

為了得到不同幾何參數(shù)的影響規(guī)律，通過(guò)Sobol算法進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，進(jìn)行了150個(gè)不同模型的仿真分析研究。這里保持子午流道的輪廓和葉片包角的分布不變，調(diào)整三個(gè)葉片頂部流動(dòng)角（β）分布參數(shù)。

葉片流動(dòng)角分布的參數(shù)變化圖

通過(guò)后處理輸出的空化分布云圖以及處理得到的空化目標(biāo)函數(shù)值，能夠分析不同參數(shù)對(duì)性能的影響規(guī)律，并確定當(dāng)前的最佳模型。在當(dāng)前結(jié)果中，最佳模型空化性能函數(shù)提升了36%左右。未來(lái)的工作將進(jìn)一步針對(duì)葉片包角分布、前緣形狀參數(shù)以及葉片兩側(cè)不同的厚度分布進(jìn)行研究。

原始幾何與敏感性分析得到的最佳幾何的比較

----------------本文作者：佛羅倫薩大學(xué) 埃里卡·吉尼奧尼博士----------------