帶螺旋槽誘導(dǎo)輪的氣蝕性能研究

岳恒茂，張 靜，李家文

（1. 北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京，100083；2. 北京航天動(dòng)力研究所，北京，100076）

0 引 言

商業(yè)航天的迅速發(fā)展，液體火箭回收和重復(fù)使用，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性提出了更高要求，在渦輪泵入口處安裝誘導(dǎo)輪以改善泵葉片氣蝕性能。由于誘導(dǎo)輪入口壓力較低，葉片周圍易產(chǎn)生氣穴，造成流道堵塞、揚(yáng)程降低，同時(shí)形成氣蝕，誘發(fā)氣蝕不穩(wěn)定現(xiàn)象[1]，如氣蝕喘振[2]、旋轉(zhuǎn)阻塞[3,4]、旋轉(zhuǎn)氣蝕[5～7]和交替葉片氣蝕[8]等，沖擊葉片產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞葉片和葉輪轉(zhuǎn)軸等部件，降低發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，甚至導(dǎo)致火箭發(fā)射失敗。因此，高性能誘導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)成為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜關(guān)鍵技術(shù)之一[9]。

針對(duì)誘導(dǎo)輪葉片周圍產(chǎn)生的氣蝕現(xiàn)象，國內(nèi)外開 展了大量的研究工作，提出多種有效抑制氣蝕現(xiàn)象的方法，其中包括入口安裝擋板[10]、改變?nèi)~尖間隙[11]、采用環(huán)形入口殼體[12]、入口增加噴射流[13]等措施。另外，通過對(duì)誘導(dǎo)輪入口處的殼體形狀進(jìn)行改動(dòng)，改善了誘導(dǎo)輪的氣蝕性能。Mitsuru 等[14]研究了階梯槽對(duì)誘導(dǎo)輪性能的影響，發(fā)現(xiàn)階梯槽增大了誘導(dǎo)輪前緣葉尖回流，有效抑制了超同步旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象的發(fā)生；Hiroshi等[15]通過試驗(yàn)手段研究了不同參數(shù)的回流限制槽對(duì)誘導(dǎo)輪氣蝕不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響，結(jié)果表明回流限制槽能夠抑制空化喘振現(xiàn)象，同時(shí)在誘導(dǎo)輪入口處形成穩(wěn)定環(huán)形漩渦，有效穩(wěn)定氣蝕帶來的壓力脈動(dòng)；Choi 等[16]通過在誘導(dǎo)輪入口安裝J 形槽，發(fā)現(xiàn)小流量下旋轉(zhuǎn)回流氣蝕得到有效抑制；Noriyuki 等[17]針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的槽進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)J 形槽能夠抑制非對(duì)稱空化、旋轉(zhuǎn)空化和空化喘振等現(xiàn)象，從而有效提高誘導(dǎo)輪氣蝕性能；唐飛等[18]采用數(shù)值仿真方法對(duì)階梯殼體和葉片打孔對(duì)誘導(dǎo)輪氣蝕性能的影響進(jìn)行了研究；李欣等[19]研究了螺旋靜葉對(duì)誘導(dǎo)輪氣蝕性能的影響，通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)的螺旋靜葉進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)螺旋靜葉在提高誘導(dǎo)輪揚(yáng)程的同時(shí)改善了其氣蝕性能。

本文在總結(jié)J 形槽對(duì)誘導(dǎo)輪氣蝕性能影響后，利用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法針對(duì)J 形槽增加旋度后的螺旋槽對(duì)誘導(dǎo)輪的性能影響進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了原誘導(dǎo)輪和安裝螺旋槽后誘導(dǎo)輪的氣蝕性能。

1 物理模型

本文研究的入口安裝螺旋槽的誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。誘導(dǎo)輪為變螺距誘導(dǎo)輪，螺旋槽安裝在誘導(dǎo)輪入口處，以誘導(dǎo)輪前緣最大直徑處為界限，一半處于誘導(dǎo)輪入口，一半伸入誘導(dǎo)輪流道，旋轉(zhuǎn)方向與誘導(dǎo)輪相反。誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)流量Q=4.54 L/s，揚(yáng)程H=4.6 m，轉(zhuǎn)速n=4000 r/min。誘導(dǎo)輪和螺旋槽的具體參數(shù)如表1、表2 所示。

圖1 安裝螺旋槽的誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)示意 Fig.1 Structure of the Inducer with Helical Grooves

表1 誘導(dǎo)輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù) Tab.1 Main Parameters of the Inducer

表2 螺旋槽參數(shù) Tab.2 Main Parameters of the Helical Grooves

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)方法

為研究螺旋槽對(duì)誘導(dǎo)輪氣蝕性能的影響，本文采用試驗(yàn)手段對(duì)氣蝕狀態(tài)下誘導(dǎo)輪揚(yáng)程特性和流道內(nèi)氣穴形態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。試驗(yàn)時(shí)，利用真空泵調(diào)節(jié)誘導(dǎo)輪入口壓力，使誘導(dǎo)輪逐漸發(fā)生氣蝕，在誘導(dǎo)輪入口和出口處分別安裝壓力傳感器，測(cè)量靜態(tài)壓力，在氣蝕狀態(tài)下，利用可視化裝置對(duì)誘導(dǎo)輪氣穴形態(tài)進(jìn)行拍攝，最后通過流量調(diào)節(jié)閥來控制流量，分別得到大流量1.17Q、設(shè)計(jì)流量Q 和小流量0.9Q 工況下誘導(dǎo)輪的氣蝕性能曲線。

2.2 仿真方法

螺旋槽流道和誘導(dǎo)輪流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，入口流道和出口流道采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。利用尺寸函數(shù)針對(duì)葉片吸力面和壓力面前緣、葉頂間隙以及螺旋槽等局部進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

仿真計(jì)算時(shí)，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型，氣蝕模型選用基于Rayleigh-Plesset 方程的混合流體模型[20]。選用液態(tài)水（20 ℃）作為計(jì)算工質(zhì)，其飽和蒸汽壓設(shè)置為2339.3 Pa，氣泡平均直徑為2 μm。入口邊界條件設(shè)置為壓力入口，出口邊界為質(zhì)量流量出口，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行模擬，壁面采用絕熱無滑移的邊界條件。

3 結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)流量下誘導(dǎo)輪氣蝕性能和氣穴分布

試驗(yàn)中，控制流量調(diào)節(jié)閥，保證誘導(dǎo)輪流量穩(wěn)定在設(shè)計(jì)流量Q 左右，利用真空泵逐漸降低誘導(dǎo)輪入口壓力，測(cè)量出入口靜壓，繪制誘導(dǎo)輪揚(yáng)程隨氣蝕余量（Net Positive Suction Head，NPSH）變化的曲線，如圖2 所示。

圖2 設(shè)計(jì)流量下加螺旋槽前、后誘導(dǎo)輪氣蝕性能曲線 Fig.2 Cavitation Performance of the Inducer with and without Helical Grooves at Design Flow Rate

對(duì)比圖2 中的氣蝕曲線變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)流量Q工況下，非氣蝕狀態(tài)，螺旋槽對(duì)誘導(dǎo)輪的揚(yáng)程提升不明顯，但當(dāng)NPSH 降低至4.73 m 時(shí)，安裝螺旋槽后的誘導(dǎo)輪揚(yáng)程開始得到進(jìn)一步提升，揚(yáng)程隨NPSH 降低先升高后降低，該過程誘導(dǎo)輪揚(yáng)程提升最大百分比（即加槽后最大揚(yáng)程與非氣蝕狀態(tài)原誘導(dǎo)輪揚(yáng)程之差占原誘導(dǎo)輪揚(yáng)程的百分比）為5.4%。隨NPSH 降低，誘導(dǎo)輪揚(yáng)程跌落至未氣蝕狀態(tài)揚(yáng)程90%的點(diǎn)視為斷裂工況點(diǎn)，此時(shí)的NPSH 值稱為臨界NPSH。當(dāng)NPSH 降低至1.17 m 時(shí)，原誘導(dǎo)輪揚(yáng)程開始下降。當(dāng)NPSH 為0.77 m 時(shí)，揚(yáng)程下降10%，因此原誘導(dǎo)輪臨界NPSH 為0.77 m。安裝螺旋槽后，誘導(dǎo)輪臨界NPSH 為0.63 m，降低了0.14 m，因此設(shè)計(jì)流量Q 工況下，加槽后原誘導(dǎo)輪的氣蝕性能得到改善。

為深入了解氣蝕狀態(tài)下誘導(dǎo)輪揚(yáng)程降低原因，文中采用可視化裝置拍攝了不同NPSH 時(shí)，氣穴狀態(tài)及在流道中的分布情況，如圖3 所示。

圖3 不同NPSH 下原誘導(dǎo)輪氣穴狀態(tài) Fig.3 Cavitation of the Inducer at Different NPSH

當(dāng)NPSH=5.40 m 時(shí)，原誘導(dǎo)輪葉片吸力面前緣葉尖處開始產(chǎn)生氣穴，由于該位置線速度較大，葉片靜壓較低，導(dǎo)致最先產(chǎn)生氣穴。隨NPSH 的降低，氣穴沿葉片方向逐漸向后緣發(fā)展，當(dāng)NPSH 為2.65 m 時(shí)氣穴并未阻塞流道，未影響到誘導(dǎo)輪揚(yáng)程。當(dāng)NPSH 降低至1.17 m 時(shí)，葉片吸力面前緣氣穴已發(fā)展至下一葉片，下一葉片的壓力面也產(chǎn)生氣穴，兩者共同作用開始堵塞流道，造成誘導(dǎo)輪揚(yáng)程開始下降。當(dāng)NPSH 進(jìn)一步降低至0.77 m 時(shí)，葉片吸力面氣穴和壓力面氣穴連成一片，嚴(yán)重堵塞流道喉部，使誘導(dǎo)輪達(dá)到斷裂工況點(diǎn)，揚(yáng)程降低10%。當(dāng)NPSH 繼續(xù)降低至0.63 m 時(shí)，氣穴到達(dá)葉片中段，堵塞大部分流道，揚(yáng)程降低16.5%。

安裝螺旋槽后，氣穴分布如圖 4 所示。當(dāng)NPSH=7.63 m 時(shí)，氣穴首先出現(xiàn)在螺旋槽后段流道，并在A 側(cè)壁面生長。當(dāng)NPSH=4.73 m 時(shí)，氣穴在流道內(nèi)沿周向朝B 側(cè)壁面發(fā)展，此時(shí)在葉片吸力面前緣并未產(chǎn)生氣穴，而在壓力面前緣可觀察到初生氣穴。當(dāng)NPSH=2.10 m 時(shí)，氣穴在螺旋槽后段流道充分發(fā)展，并被限制在后段螺旋槽內(nèi)，此時(shí)氣穴未沿槽軸向發(fā)展。對(duì)比氣蝕性能曲線可知，該氣穴狀態(tài)改善了誘導(dǎo)輪流道條件，從而能有效地提升誘導(dǎo)輪揚(yáng)程。當(dāng)NPSH 降低至1.17 m 時(shí)，槽內(nèi)氣穴沿軸向朝螺旋槽前緣發(fā)展，同時(shí)誘導(dǎo)輪流道內(nèi)氣穴也逐漸向葉片后緣生長。當(dāng)NPSH 降低至0.63 m 時(shí)，氣穴在螺旋槽內(nèi)充分發(fā)展，但此時(shí)誘導(dǎo)輪揚(yáng)程降低10%，到達(dá)斷裂工況點(diǎn)。

圖4 不同NPSH 下加槽誘導(dǎo)輪氣穴狀態(tài)示意 Fig.4 Cavitation of the Inducer with Helical Grooves at Different NPSH

當(dāng)NPSH 較小時(shí)，氣穴在螺旋槽內(nèi)充分發(fā)展，試驗(yàn)中難以觀測(cè)誘導(dǎo)輪流道內(nèi)部氣穴變化情況，文中采用仿真結(jié)果研究其變化趨勢(shì)，選取了部分氣蝕狀態(tài)下的氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖做進(jìn)一步分析，如圖5～7所示。圖5～7 中的編號(hào)1～4 的子圖代表NPSH 逐漸降低。螺旋槽與誘導(dǎo)輪交界面處的氣相分?jǐn)?shù)分布如圖5所示。氣穴首先出現(xiàn)在螺旋槽內(nèi)，由于液體內(nèi)存在粘滯力，誘導(dǎo)輪流道內(nèi)旋轉(zhuǎn)工質(zhì)帶動(dòng)螺旋槽內(nèi)液體從螺旋槽A側(cè)壁面向B 側(cè)壁面流動(dòng)，造成A 側(cè)靜壓較低，產(chǎn)生氣穴。隨著NPSH 逐漸降低，在螺旋槽內(nèi)，氣穴從A 側(cè)壁面向B 側(cè)發(fā)展；氣穴起始于螺旋槽后緣，不斷向螺旋槽前緣發(fā)展。

葉片吸力面氣相分?jǐn)?shù)分布如圖6 所示。由圖6 可知，安裝螺旋槽后，氣穴起始于葉片吸力面中段，即螺旋槽后緣，并隨NPSH 的降低，氣穴向葉片前緣和后緣同時(shí)發(fā)展，最終與輪轂后緣產(chǎn)生的氣穴連成一片，從而堵塞流道。

圖5 不同NPSH 下交界面處氣相體積分?jǐn)?shù)分布 Fig.5 Vapor Volume Fraction on Interfaces at Different NPSH

圖6 不同NPSH 下葉片吸力面氣相體積分?jǐn)?shù)分布 Fig.6 Vapor Volume Fraction on the Suction Side of a Blade at Different NPSH

距螺旋槽后端面6 mm 處所取的截面如圖7 所示。

圖7 不同NPSH 下槽后緣徑向截面氣相體積分?jǐn)?shù)分布 Fig.7 Vapor Volume Fraction on the Plane Near the Rear of Grooves at Different NPSH

由圖7 可知，在螺旋槽后緣，隨NPSH 降低，氣穴從螺旋槽內(nèi)逐漸向輪轂方向發(fā)展，最終在較小NPSH值下，該氣穴與輪轂處氣穴連結(jié)，從而堵塞流道，降低誘導(dǎo)輪揚(yáng)程。

3.2 不同流量工況下誘導(dǎo)輪氣蝕性能

為研究大、小流量工況對(duì)誘導(dǎo)輪氣蝕性能的影響，試驗(yàn)中分別選擇大流量1.17Q 工況和小流量0.9Q 工況進(jìn)行氣蝕試驗(yàn)，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同工況下加槽前后誘導(dǎo)輪氣蝕性能曲線 Fig.8 Cavitation Performance of the Inducer with and without Helical Grooves in Different Flow Rates

由圖8 可知，安裝螺旋槽后，大流量1.17Q 和小流量0.9Q 工況下，誘導(dǎo)輪氣蝕性能均得到改善，臨界NPSH 分別降低了0.38 m 和0.09 m。大流量下誘導(dǎo)輪揚(yáng)程提升最大百分比為16.2%，小流量下加槽后誘導(dǎo)輪揚(yáng)程有所降低，如表3、表4 所示。

表3 安裝螺旋槽后原誘導(dǎo)輪揚(yáng)程提升最大百分比 Tab.3 Maximum Percent of Head Increasing for the Inducer with Helical Grooves

表4 安裝螺旋槽前后誘導(dǎo)輪臨界NPSH 對(duì)比 Tab.4 Comparison of Critical NPSH of the Inducer with and without Helical Grooves

由表3 可知，不同流量下，一定范圍內(nèi)，加槽后誘導(dǎo)輪揚(yáng)程提升最大百分比隨流量的增加而增大；由表4 可知，隨流量增加，加槽后誘導(dǎo)輪氣蝕性能改善效果逐漸增強(qiáng)。

3.3 回流現(xiàn)象分析和不同流量工況對(duì)氣穴影響

觀察圖3a 中發(fā)現(xiàn)，氣穴與葉片存在一定角度，由于原誘導(dǎo)輪葉片壓力面和吸力面存在壓力差，試驗(yàn)中，存在一定葉頂間隙，推測(cè)葉頂間隙處存在回流現(xiàn)象，通過仿真進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。圖9 為安裝螺旋槽前、后誘導(dǎo)輪子午面上流線和軸向速度分布。對(duì)于原誘導(dǎo)輪，在葉頂間隙處存在回流渦，驗(yàn)證了回流現(xiàn)象的存在。對(duì)比圖9b 中加槽后的誘導(dǎo)輪發(fā)現(xiàn)，螺旋槽內(nèi)存在較強(qiáng)回流，并在葉片前形成了較大回流渦。

圖9 誘導(dǎo)輪子午面流線和軸向速度分布 Fig.9 Streamline and Axial Velocity on the Meridional Plane

原誘導(dǎo)輪和加槽誘導(dǎo)輪葉頂間隙均存在回流，圖10 為不同流量工況下，回流作用對(duì)誘導(dǎo)輪和螺旋槽內(nèi)氣穴分布的影響。

圖10 NPSH=1.02m 不同流量工況下氣穴對(duì)比 Fig.10 Comparison of the Cavitation at Different Flow Rates at NPSH=1.02m

對(duì)比圖10 并綜合表4 中不同流量下原誘導(dǎo)輪和加槽后誘導(dǎo)輪的臨界NPSH 可知，安裝螺旋槽前后的誘導(dǎo)輪均遵循以下規(guī)律：隨流量減小，誘導(dǎo)輪葉尖和螺旋槽內(nèi)回流增強(qiáng)，回流使得氣穴向誘導(dǎo)輪入口處發(fā)展，減輕了誘導(dǎo)輪流道堵塞，從而降低誘導(dǎo)輪臨界NPSH，改善了誘導(dǎo)輪氣蝕性能。

4 結(jié) 論

為研究加螺旋槽后誘導(dǎo)輪內(nèi)部氣穴分布，分析螺旋槽對(duì)誘導(dǎo)輪氣蝕性能的影響，總結(jié)不同流量下誘導(dǎo)輪氣蝕發(fā)展規(guī)律，本文采用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法對(duì)誘導(dǎo)輪進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

a）安裝螺旋槽后，誘導(dǎo)輪內(nèi)氣穴生長位置發(fā)生改變, 氣穴初生于螺旋槽后緣，并同時(shí)向螺旋槽前緣和葉片前后緣發(fā)展；一定NPSH 下，氣穴改善了誘導(dǎo)輪流道條件，能進(jìn)一步提升誘導(dǎo)輪揚(yáng)程。

b）加螺旋槽的誘導(dǎo)輪氣蝕性能得到改善，并且隨流量增大，螺旋槽對(duì)誘導(dǎo)輪氣蝕性能的改善效果逐漸增強(qiáng)。

c）螺旋槽內(nèi)存在很強(qiáng)的回流；安裝螺旋槽前后，隨流量減小，誘導(dǎo)輪葉頂間隙回流均會(huì)增強(qiáng)，可以減輕誘導(dǎo)輪流道堵塞，改善誘導(dǎo)輪氣蝕性能。

d）一定范圍內(nèi)，螺旋槽能夠改善誘導(dǎo)輪氣蝕性能，不同螺旋槽結(jié)構(gòu)及其安裝位置對(duì)誘導(dǎo)輪氣蝕性能的影響可作為下一步研究目標(biāo)。