【技术】涡轮泵诱导轮几何参数的敏感性分析及性能优化

        涡轮泵是液体推进航天发射系统中的关键部件，主要在火箭发动机的供给系统中，用来克服燃烧室压力，提供足够的推进剂流量，从而使得火箭能够获得较高的推力。

        基于降低总重、提高转速、降低推进剂储存罐压力的需求，以及最大限度提高发动机整个寿命周期可靠性的目的，需要对涡轮泵的性能进行优化提升。

        诱导轮是涡轮泵中的重要结构，其作用是提高进口压头，以防止下一级泵出现明显空化，从而提高涡轮泵性能及稳定性。诱导轮是一个带有少量叶片的轴向叶轮，布置在离心泵叶轮的正上游，并与叶轮以相同的转速旋转。

航天发射器的涡轮泵结构

        为了方便评估诱导轮不同位置几何参数对流动的影响规律，并进一步进行性能优化，需要建立诱导轮的参数化几何。通过使用CAESES软件，建立了GeoPI（Geometric Parametrizationof Inducer）系统，这是一个完全自动化的项目工作流程，能够通过参数构建诱导轮的完整几何结构，并生成后续CFD分析所需的流体域模型。

一、GeoPI: 涡轮泵诱导轮的几何参数化  

涡轮泵诱导轮几何结构

        GeoPI是一个致力于诱导轮部件设计的项目。涡轮泵诱导轮能够在很强的气蚀条件下运行，以确保涡轮泵的核心部件（即叶轮）能够在没有气泡的情况下工作。该部件的设计不同于传统叶轮的设计，它具有特别锋利的前缘形状和倾斜的叶片，以确保对工作流体的影响较小。

        首先在项目中，通过具有四个或五个控制点的B样条曲线定义轮毂和轮盖的型线，从而确定子午通道的几何结构。子午通道的定义还包括叶轮的前缘及尾缘线，前缘线也可以采用样条曲线形式，并可以定义与轮盖、轮毂型线的夹角。

        诱导轮所具有的特征形状使其不同于传统叶轮，项目中采用CAESES的feature功能创建诱导轮模型。在CAESES中创建叶片中弧线，并定义叶片切向角度(β)，叶片包角(θ)，以及叶片的掠角等参数。通过feature能够在子午通道内，沿展向生成多条叶片中弧线，基于这些曲线生成放样曲面，并通过曲线插值控制β、θ、掠角等参数沿展向的分布。

叶片中弧线及曲面

        之后定义叶片厚度参数，叶片吸力侧和压力侧的厚度分布可以独立地进行控制，同时也可以为叶片根部及顶部定义不同的厚度分布，从而能够生成任意形状的叶片曲面。基于上文创建的中弧面，按照给定的前缘到尾缘厚度分布规律向两侧法向加厚，生成叶片曲面。

厚度分布控制曲线

叶片曲面

        创建叶片模型后，为方便进行CFD分析，需创建诱导轮的单通道流体域，通过CAESES的feature可以自动得到叶片通道的周期性曲面，并且能够根据叶片形状进行自动变化。

        通过改变定义的参数，可以获得不同的叶片形状。以下是改变子午流道轮廓、流动角分布、包角分布以及叶片前缘形状等参数的模型变化示意。

二、基于ANSYS CFX的外部仿真流程  

        通过耦合各种ANSYS的软件工具，可将流体动力学分析集成到CAESES设计环境中。在CAESES中创建诱导轮几何体后，将CFD流体域以TETIN格式导出，其中几何体的每个部分都设置为不同颜色，这对于ICEM中的网格划分过程非常有用，它使得ICEM能够自动识别不同的边界。通过一系列脚本，每个不同参数的几何都可以自动生成计算网格，并建立包含空化分析的自动化仿真分析流程。CFD分析采用双精度求解，SSTk-ω 湍流模型，空化模型采用Rayleigh-Plesset模型。根据仿真计算得到的诱导轮内空化气泡的位置及空间大小等数据，采用由Fortran编写的内部代码进行后处理，得到空化性能目标函数数值，对模型性能进行评估。

CAESES和ANSYS的联合工作流程

 三、涡轮泵诱导轮的优化结果  

        为了得到不同几何参数的影响规律，通过Sobol算法进行了参数敏感性分析，进行了150个不同模型的仿真分析研究。这里保持子午流道的轮廓和叶片包角的分布不变，调整三个叶片顶部流动角（β）分布参数。

叶片流动角分布的参数变化图

通过后处理输出的空化分布云图以及处理得到的空化目标函数值，能够分析不同参数对性能的影响规律，并确定当前的最佳模型。在当前结果中，最佳模型空化性能函数提升了36%左右。未来的工作将进一步针对叶片包角分布、前缘形状参数以及叶片两侧不同的厚度分布进行研究。

原始几何与敏感性分析得到的最佳几何的比较