三葉片兩級誘導(dǎo)輪的氣蝕性能研究

李 欣，肖立明，劉 暢，胡聲超，李家文，王 玨

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076；2.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院, 北京 100191；3.中國運載火箭技術(shù)研究院, 北京 100076)

0 引言

渦輪泵是液體火箭發(fā)動機的關(guān)鍵組件之一，它由渦輪和泵兩部分組成，其中泵的作用是對推進(jìn)劑進(jìn)行增壓。泵通常包括誘導(dǎo)輪和離心輪，其中誘導(dǎo)輪的作用是為離心輪進(jìn)行增壓，防止離心輪發(fā)生氣蝕。氣蝕會造成泵的性能迅速下降，從而影響整個火箭發(fā)動機的正常工作。在實際應(yīng)用中，為了減輕貯箱重量，誘導(dǎo)輪入口的壓力通常不能設(shè)置太高，受工況變化或其他干擾因素的影響，可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的氣蝕。因此如何提高誘導(dǎo)輪的氣蝕性能成為各國學(xué)者研究的重點。

當(dāng)誘導(dǎo)輪發(fā)生氣蝕時，在某些工況下，還可能會產(chǎn)生氣蝕不穩(wěn)定現(xiàn)象，如旋轉(zhuǎn)氣蝕[1-3]、氣蝕喘振[4]等，使得誘導(dǎo)輪承受脈動壓力，引起軸振動等，從而影響泵的正常工作。為了提高誘導(dǎo)輪的氣蝕性能，抑制氣蝕不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。1993年，日本學(xué)者Tsujimoto[5-6]創(chuàng)造性地提出了第一個較為完整的旋轉(zhuǎn)氣蝕理論計算模型，研究了旋轉(zhuǎn)氣蝕的影響因素。2006年，Ugajin等[7]采用DES(Detached Eddy Simulation)方法對誘導(dǎo)輪內(nèi)的氣蝕流動進(jìn)行了非定常數(shù)值計算，通過計算分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)氣穴延伸或接近于葉片流道的喉部時，氣穴體積的脈動幅值將會增加。2007年，Tomaru等[8]在誘導(dǎo)輪入口殼體處開回流限制槽(Backflow Restriction Step)成功抑制了氣蝕喘振。2009年，Watanabe等[9]研究了熱力學(xué)效應(yīng)對誘導(dǎo)輪葉尖泄漏渦氣蝕的影響，同時針對一個兩葉片誘導(dǎo)輪，研究了其小流量下的回流結(jié)構(gòu)[10]。2012年，韓國的Lee等[11]研究了一個兩葉片誘導(dǎo)輪的氣蝕性能，觀察到了非對稱氣蝕和氣蝕喘振，通過分析他們發(fā)現(xiàn)氣穴附近的局部流動對非對稱氣蝕的發(fā)生有重要影響，而非對稱氣蝕會對誘導(dǎo)輪的揚程產(chǎn)生影響。他們還研究了一個兩葉片兩級式誘導(dǎo)輪的氣蝕性能，發(fā)現(xiàn)兩級式誘導(dǎo)輪與傳統(tǒng)的單級式誘導(dǎo)輪相比對氣蝕喘振和不對稱氣蝕等氣蝕不穩(wěn)定現(xiàn)象有較好的抑制作用[12]。2015年，Campos-Amezcua等[13]采用數(shù)值仿真方法研究了誘導(dǎo)輪的非穩(wěn)態(tài)氣蝕流，結(jié)果顯示氣穴最初出現(xiàn)在葉片前緣，其變化主要受流量和吸力面壓力的影響，他們指出旋轉(zhuǎn)氣蝕的產(chǎn)生主要是因為片狀氣蝕與下一級葉片前緣的相互作用。

國內(nèi)北京航空航天大學(xué)[14-16]、西安航天動力研究所[17]等單位針對誘導(dǎo)輪的氣蝕性能也開展了大量研究。筆者曾研究了變螺距誘導(dǎo)輪的氣蝕性能[18]，本文主要以之前的誘導(dǎo)輪為基礎(chǔ)，在前面設(shè)計了一級短葉片誘導(dǎo)輪，使原來的誘導(dǎo)輪變成兩級誘導(dǎo)輪。通過試驗，研究了該兩級誘導(dǎo)輪的揚程特性與氣蝕性能，并且與原誘導(dǎo)輪進(jìn)行了比較。

1 研究對象

原誘導(dǎo)輪的參數(shù)見文獻(xiàn)[18]，將原誘導(dǎo)輪作為第二級誘導(dǎo)輪，第一級誘導(dǎo)輪設(shè)計為短葉片等螺距誘導(dǎo)輪，主要參數(shù)見表1，具體設(shè)計方法見參考文獻(xiàn)[12]中的設(shè)計方法。兩級誘導(dǎo)輪實物如圖1所示。

表1 第一級誘導(dǎo)輪參數(shù)

圖1 兩級誘導(dǎo)輪Fig.1 Two-stage inducer

2 試驗方法

誘導(dǎo)輪試驗裝置和試驗方法同文獻(xiàn)[18]。試驗時采用水作為試驗工質(zhì)，試驗轉(zhuǎn)速為4 000 rpm。試驗采用兩個濺射薄膜壓力傳感器(型號：CYB-20S；量程：-0.1～0.7 MPa，精度：0.5%)，分別用來測量誘導(dǎo)輪入口壓力和壓升，另有兩個同類型的壓力傳感器(型號：CYB-20S；量程：-0.1～1.0 MPa，精度：0.5%)間隔90°安裝在透明殼體上用來測量壓力脈動。試驗數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)為1 600 Hz，并且持續(xù)4秒。

3 試驗結(jié)果與分析

誘導(dǎo)輪的流量、入口壓力和揚程分別用無量綱數(shù)流量系數(shù)、氣蝕數(shù)和揚程系數(shù)表示。

式中：Φ為流量系數(shù)；σ為氣蝕數(shù)；Ψ為揚程系數(shù)；Ω為轉(zhuǎn)速，rad/s；rT為誘導(dǎo)輪葉尖直徑，m；Q為體積流量，m3/s；pv為介質(zhì)的飽和蒸汽壓， Pa；p1為誘導(dǎo)輪入口靜壓，Pa；ρ為介質(zhì)密度， kg/m3；p2為誘導(dǎo)輪出口靜壓，Pa。

3.1 水力性能試驗結(jié)果

兩級誘導(dǎo)輪的水力性能試驗結(jié)果見圖2，圖中紅色曲線表示原誘導(dǎo)輪單獨試驗獲得的結(jié)果，綠色曲線表示兩級誘導(dǎo)輪的試驗結(jié)果?？梢钥闯?，兩級誘導(dǎo)輪的揚程要整體低于原誘導(dǎo)輪，在設(shè)計流量Qd下，兩級誘導(dǎo)輪的揚程比原誘導(dǎo)輪低15.3%，但隨著流量增大，揚程差逐漸減小，在流量系數(shù)Φ=0.074 5時，兩級誘導(dǎo)輪的揚程比原誘導(dǎo)輪低8.1%。兩級誘導(dǎo)輪中，第一級誘導(dǎo)輪的作用是為了改善第二級誘導(dǎo)輪的入口條件，為避免第一級誘導(dǎo)輪發(fā)生氣蝕，采用了5 mm的大葉尖間隙。受第一級誘導(dǎo)輪影響，介質(zhì)在第二級誘導(dǎo)輪入口存在預(yù)旋，于是第二級誘導(dǎo)輪對介質(zhì)做功減少，導(dǎo)致誘導(dǎo)輪揚程比原誘導(dǎo)輪低。

圖2 誘導(dǎo)輪的水力性能Fig.2 Hydraulic performance of the inducer

3.2 氣蝕性能試驗結(jié)果

圖3是兩級誘導(dǎo)輪的氣蝕性能曲線，圖中實線表示兩級誘導(dǎo)輪試驗結(jié)果，虛線表示原誘導(dǎo)輪單獨試驗獲得的結(jié)果。對比圖3中實線和虛線，發(fā)現(xiàn)兩級誘導(dǎo)輪在設(shè)計流量Qd和1.1Qd工況下試驗曲線存在階梯點，但是階梯點下降的揚程比原誘導(dǎo)輪少，具體見表2；而在0.8Qd工況下，兩級誘導(dǎo)輪在氣蝕嚴(yán)重時，揚程下降緩慢，并且不存在階梯點。

圖3 誘導(dǎo)輪氣蝕性能Fig.3 Cavitation performance of the inducer

通過可視化試驗，觀察了原誘導(dǎo)輪和兩級誘導(dǎo)輪的初生氣蝕，見圖4。不同流量下誘導(dǎo)輪的初生氣蝕數(shù)見表3。從表中可以明顯看出，三種流量下，兩級誘導(dǎo)輪的初生氣蝕數(shù)均比原誘導(dǎo)輪小，即兩級誘導(dǎo)輪對氣蝕產(chǎn)生有一定的抑制作用。

圖4 原誘導(dǎo)輪與兩級誘導(dǎo)輪的初生氣蝕Fig. 4 Inception cavitation of original inducer and two-stage inducer

流量0.8QdQd1.1Qd原誘導(dǎo)輪σ初0.597 80.422 10.290 3兩級誘導(dǎo)輪σ初0.539 20.334 30.253 7

兩級誘導(dǎo)輪在不同流量下入口壓力的瀑布圖見圖5～圖7。從圖中看出，兩級誘導(dǎo)輪內(nèi)部發(fā)生了同步旋轉(zhuǎn)氣蝕現(xiàn)象。并且在設(shè)計流量Qd和1.1Qd流量下，當(dāng)σ=0.034 1時，頻率f=43 Hz處也出現(xiàn)了壓力峰值，經(jīng)過分析，該頻率為兩個旋轉(zhuǎn)單元體頻率的疊加，單個旋轉(zhuǎn)單元體的頻率為21 Hz，方向為徑向。

圖5 設(shè)計流量Qd下兩級誘導(dǎo)輪入口壓力的瀑布圖Fig.5 Waterfall plot of inlet static pressure fluctuation of two-stage inducer under design flow Qd

圖6 1.1Qd下兩級誘導(dǎo)輪入口壓力的瀑布圖Fig.6 Waterfall plot of inlet static pressure fluctuation of two-stage inducer under 1.1Qd

圖7 0.8Qd下兩級誘導(dǎo)輪入口壓力的瀑布圖Fig.7 Waterfall plot of inlet static pressure fluctuation of two-stage inducer under 0.8Qd

不同流量下，兩級誘導(dǎo)輪與原誘導(dǎo)輪同步旋轉(zhuǎn)氣蝕引起的壓力脈動的幅值對比見表4。從表中可以看出，在0.8Qd、設(shè)計流量Qd和1.1Qd工況下，同步旋轉(zhuǎn)氣蝕的最大脈動幅值分別降低了21.8%、40.1%和45.8%，說明兩級誘導(dǎo)輪對同步旋轉(zhuǎn)氣蝕具有抑制作用，這是因為一級誘導(dǎo)輪改變了二級誘導(dǎo)輪內(nèi)的氣穴形狀[12]，但在設(shè)計流量Qd和1.1Qd工況下也引起了新的21 Hz的徑向不穩(wěn)定現(xiàn)象。

表4 不同流量下同步旋轉(zhuǎn)氣蝕引起的最大壓力脈動幅值對比

4 結(jié)論

本文通過試驗研究了兩級誘導(dǎo)輪的氣蝕性能，并與原誘導(dǎo)輪進(jìn)行了對比研究，得到以下結(jié)論：

1)兩級誘導(dǎo)輪的一級誘導(dǎo)輪采用大葉尖間隙，增強了回流，改善了二級誘導(dǎo)輪的氣蝕性能，使同流量下初生氣蝕數(shù)比原誘導(dǎo)輪減小，但因為第一級誘導(dǎo)輪在第二級誘導(dǎo)輪入口產(chǎn)生了預(yù)旋，導(dǎo)致第二級誘導(dǎo)輪做功減小，誘導(dǎo)輪揚程比原誘導(dǎo)輪低。

2)兩級誘導(dǎo)輪能有效減小同步旋轉(zhuǎn)氣蝕的強度，但在1.1Qd和設(shè)計流量Qd工況下，兩級誘導(dǎo)輪發(fā)生了頻率為21 Hz的徑向不穩(wěn)定現(xiàn)象。