高壓下真實(shí)氣體效應(yīng)對(duì)渦輪性能影響的仿真

張鵬飛，李 星，許開富，王曉峰，金 路

(1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100；2.航天推進(jìn)技術(shù)研究院，陜西 西安 710100)

0 引言

為了提升運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力和可靠性，我國(guó)自20世紀(jì)90年代開始，啟動(dòng)了高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力和性能的提升，主渦輪入口的壓力逐漸增加。最新一代載人登月大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪入口的壓力達(dá)到50 MPa以上，這導(dǎo)致渦輪燃?xì)獾男再|(zhì)偏離理想氣體，高壓下的真實(shí)氣體效應(yīng)突出。渦輪是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中熱負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷最大的部件，工質(zhì)溫度高，工作環(huán)境惡劣，準(zhǔn)確分析評(píng)估渦輪性能是確保發(fā)動(dòng)機(jī)能安全高效工作的必要條件。當(dāng)壓力和溫度很高時(shí)，真實(shí)氣體效應(yīng)導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪性能偏差將影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定工作。

定物性理想氣體假設(shè)與真實(shí)氣體的偏差會(huì)影響渦輪內(nèi)部流動(dòng)，導(dǎo)致渦輪性能計(jì)算的偏差。國(guó)內(nèi)對(duì)高壓渦輪功率計(jì)算中真實(shí)氣體效應(yīng)影響的研究較少，國(guó)外雖然開展了一些研究，但發(fā)表的文獻(xiàn)普遍缺乏詳細(xì)的對(duì)比分析。為了研究不同壓力下真實(shí)氣體效應(yīng)對(duì)渦輪性能的影響，分別進(jìn)行了采用定物性理想氣體、ARK氣體狀態(tài)方程和基于NIST Refprop 真實(shí)物性數(shù)據(jù)庫(kù)的單通道渦輪性能仿真研究，并與一維壓縮因子修正的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 計(jì)算方法

1.1 實(shí)際氣體狀態(tài)方程

實(shí)際氣體的狀態(tài)參數(shù)計(jì)算在于建立實(shí)際氣體的狀態(tài)方程。荷蘭物理學(xué)家范德瓦爾斯通過(guò)對(duì)理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行修正首先于1873年提出了實(shí)際氣體狀態(tài)方程