徑流式渦輪在膨脹循環(huán)發(fā)動機氫渦輪泵中的應用

楊 凡，葉小明

（1．中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2.北京航天動力研究所，北京，100076）

0 引言

膨脹循環(huán)系統(tǒng)的主要特點是以推力室冷卻套為加溫器，將冷卻推力室的高壓液氫轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏簹鈿潋?qū)動渦輪做功。該循環(huán)具有系統(tǒng)簡單、多次啟動和可靠性高等優(yōu)點。從上世紀末開始，已擁有成熟的燃氣發(fā)生器循環(huán)發(fā)動機的歐洲和日本相繼轉(zhuǎn)向研制膨脹循環(huán)發(fā)動機，他們陸續(xù)推出的新一代運載火箭上面級幾乎均采用先進的膨脹循環(huán)發(fā)動機。美國也正在研制推力更大、更先進的膨脹循環(huán)發(fā)動機RL-60。作為航天大國的中國，對膨脹循環(huán)發(fā)動機進行實質(zhì)性的研究迫在眉睫。

渦輪泵作為液體火箭發(fā)動機的心臟，對發(fā)動機的整體性能起著舉足輕重的作用，甚至可以說液體火箭發(fā)動機的性能很大程度上取決于其渦輪泵的性能，尤其是在膨脹循環(huán)液體火箭發(fā)動機中更是這樣。氫渦輪作為膨脹循環(huán)液體火箭發(fā)動機渦輪泵的核心部件，一直以它的高效率和高轉(zhuǎn)速等高性能要求成為評定整個發(fā)動機性能優(yōu)劣的重要指標。作為國內(nèi)在該領域的首例應用嘗試，本研究對徑流式渦輪應用于膨脹循環(huán)發(fā)動機的氣動性能、強度和軸向力平衡等進行了設計及方案論證，并通過介質(zhì)試驗及熱試車對其應用可行性進行了深入探索。

1 徑流式渦輪的設計和數(shù)值仿真

經(jīng)過多輪平衡迭代，發(fā)動機系統(tǒng)對氫渦輪泵提出了高性能的設計要求，氫渦輪的相關設計指標是：入口總溫243 K，總壓9.591 MPa，流量2.593 kg/s，轉(zhuǎn)速70 000 rpm，膨脹比為1.6，效率0.74。……