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液体火箭发动机汽蚀建模与低入口压力起动过程仿真

陈一丹 陈宏玉 刘亚洲

陈一丹,陈宏玉,刘亚洲.液体火箭发动机汽蚀建模与低入口压力起动过程仿真[J].航空动力学报,2022,37(8):1654‑1663. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210232
引用本文: 陈一丹,陈宏玉,刘亚洲.液体火箭发动机汽蚀建模与低入口压力起动过程仿真[J].航空动力学报,2022,37(8):1654‑1663. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210232
CHEN Yidan,CHEN Hongyu,LIU Yazhou.Cavitation modeling and start⁃up under⁃rated pressure simulation of liquid rocket engine[J].Journal of Aerospace Power,2022,37(8):1654‑1663. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210232
Citation: CHEN Yidan,CHEN Hongyu,LIU Yazhou.Cavitation modeling and start⁃up under⁃rated pressure simulation of liquid rocket engine[J].Journal of Aerospace Power,2022,37(8):1654‑1663. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210232

液体火箭发动机汽蚀建模与低入口压力起动过程仿真

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210232
基金项目: 

国家自然科学基金 51606138

详细信息
    作者简介:

    陈一丹(1997-),男,硕士生,研究方向为液体火箭发动机系统仿真。E⁃mail:3150104754@zju.edu.cn

  • 中图分类号: V430

Cavitation modeling and start⁃up under⁃rated pressure simulation of liquid rocket engine

  • 摘要:

    针对液体火箭发动机氧化剂泵的汽蚀过程,使用入口NPSH(net positive suction head)代替入口压力作为汽蚀发生的判据和入口质量流量的计算方法,并通过模型与试验结果的对比发现以扬程下降1.25%作为断裂汽蚀发生点的模型具有良好的精度。后续开展发动机低于额定入口压力的起动仿真,结果表明:62%及以上额定压力能够正常起动;45%及以下额定压力起动失败,原因是燃气发生器温度过高。主要存在0.4~0.6 s,0.4~0.85 s和0.4~1.2 s三个时间段的严重汽蚀,分别对应氧主阀打开、主涡轮转速的快速爬升和燃气发生器参数波动。氧化剂主泵汽蚀主要影响燃气发生器和推力室,次要影响燃料供应路组件,轻微影响主涡轮。

     

  • 图 1  分布参数管路

    Figure 1.  Distributed pipe

    图 2  试验系统简图

    Figure 2.  System schematic diagram of test

    图 3  试验仿真系统图

    Figure 3.  Simulation system of test

    图 4  扬程对比

    Figure 4.  Comparison of pump head

    图 5  质量流量对比

    Figure 5.  Comparison of mass flow rate

    图 6  系统仿真模型

    Figure 6.  System simulation model

    图 7  氧化剂泵质量流量(0~2 s)

    Figure 7.  Mass flow rate of oxidant pump (0-2 s)

    图 8  氧化剂主泵泵质量流量(0.4~1.2 s)

    Figure 8.  Mass flow rate of oxidant pump (0.4-1.2 s)

    图 9  氧化剂预压泵转速

    Figure 9.  Revolution of oxidant boost pump

    图 10  氧化剂泵扬程

    Figure 10.  Head drop of oxidant pump

    图 11  氧化剂预压泵扬程

    Figure 11.  Head drop of oxidant boost pump

    图 12  主涡轮转速

    Figure 12.  Revolution of main turbine

    图 13  燃料一级泵质量流量

    Figure 13.  Mass flow rate of primary fuel pump

    图 14  燃料一级泵泵后压力

    Figure 14.  Post pressure of primary fuel pump

    图 15  燃料二级泵泵后压力

    Figure 15.  Post pressure of secondary fuel pump

    图 16  燃气发生器混合比

    Figure 16.  Mixture rate of gas generator

    图 17  燃气发生器室压

    Figure 17.  Pressure of gas generator

    图 18  推力室室压

    Figure 18.  Pressure of thrust chamber

    图 19  燃气发生器温度(t=0~2.0 s)

    Figure 19.  Temperature of gas generator (t=0~2.0 s)

    图 20  燃气发生器温度(t=0.8~1.2 s)

    Figure 20.  Temperature of gas generator (t=0.8~1.2 s)

    图 21  氧化剂主泵质量流量对比

    Figure 21.  Comparison of mass flow rate of oxidant pump

    图 22  氧化剂预压泵扬程对比

    Figure 22.  Comparison of head drop of oxidant boost pump

    表    符号表

    A/m2等效流通面积ps/Pa液体蒸汽压
    g/(m/s2质量场加速度qm,pin/(kg/s)泵入口质量流量
    H*无量纲扬程跌落系数qm,pout/(kg/s)泵出口质量流量
    Cp/(1/m)流体平动系数Tf/K流体温度
    ml*/kg泵内充满时的流体质量Vc无量纲空泡体积
    n/(r/min)转速Δpp/Pa泵正常工况扬程
    N*无量纲汽蚀余量Δppc/Pa泵汽蚀工况扬程
    Nc/m汽蚀余量η泵实际效率
    Nc,cr/m临界汽蚀余量ηh泵额定工况效率
    pp.in/Pa泵入口压力ρ/(kg/m3液体密度
    pp.out/Pa泵出口压力ξ/(1/m4)流阻系数
    p/Pa额定起动压力
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    表  1  试验工况表

    Table  1.   Test working condition list

    泵型号试验转速/(r/min)工质温度/K工质密度/(g/cm3
    Type16 459302.851
    Type25 991304.051
    Type312 997301.251
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2021-05-11

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