誘導(dǎo)輪空化流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

項(xiàng) 樂(lè) 陳 暉 譚永華,2 許開(kāi)富 劉軍年

(1.西安航天動(dòng)力研究所液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710100;2.航天推進(jìn)技術(shù)研究院， 西安 710100)

0 引言

空化是液體在環(huán)境壓力降至飽和蒸汽壓時(shí)發(fā)生的一種相變現(xiàn)象[1]，當(dāng)發(fā)生于水力機(jī)械中時(shí)，通常會(huì)造成噪聲增大、葉片材料腐蝕、揚(yáng)程斷裂及引發(fā)流動(dòng)不穩(wěn)定等危害[2]。為了提高水力機(jī)械的抗空化能力，通常在離心泵上游安裝誘導(dǎo)輪，通過(guò)對(duì)來(lái)流增壓避免主泵發(fā)生空化。

文獻(xiàn)[3-4]研究了誘導(dǎo)輪內(nèi)出現(xiàn)的空化不穩(wěn)定現(xiàn)象，并提出了殼體開(kāi)槽等抑制措施；文獻(xiàn)[5-6]研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)誘導(dǎo)輪內(nèi)流動(dòng)不穩(wěn)定的影響，并通過(guò)將壓力傳感器埋于葉片表面獲取旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的壓力脈動(dòng)，基于全新的視角研究了誘導(dǎo)輪內(nèi)部空化流動(dòng)特征；文獻(xiàn)[7-8]基于可視化實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究了空化不穩(wěn)定產(chǎn)生的機(jī)理； 文獻(xiàn)[9]研究了等稠度條件下葉片數(shù)量對(duì)誘導(dǎo)輪內(nèi)空化流動(dòng)的影響；文獻(xiàn)[10]利用可視化實(shí)驗(yàn)，結(jié)合壓力脈動(dòng)采集，研究了某四葉片誘導(dǎo)輪內(nèi)的空化流動(dòng)特性；文獻(xiàn)[11]以液氮為工質(zhì)，研究了熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)誘導(dǎo)輪內(nèi)空化發(fā)展過(guò)程的影響；文獻(xiàn)[12]利用數(shù)值模擬研究了提高誘導(dǎo)輪抗空化能力的方法；文獻(xiàn)[13]利用動(dòng)態(tài)參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)，結(jié)合非定常數(shù)值仿真，研究了誘導(dǎo)輪中的旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象；文獻(xiàn)[14]研究了葉頂間隙對(duì)誘導(dǎo)輪空化不穩(wěn)定的影響；文獻(xiàn)[15]結(jié)合可視化實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了誘導(dǎo)輪離心泵內(nèi)空化發(fā)展過(guò)程；文獻(xiàn)[16]利用數(shù)值仿真研究了誘導(dǎo)輪和離心泵之間的時(shí)序位置對(duì)離心泵水力性能的影響；文獻(xiàn)[17-18]研究了軸流泵內(nèi)不同空化工況下的壓力脈動(dòng)特性，定性分析了空化發(fā)展對(duì)壓力脈動(dòng)的影響。

由于誘導(dǎo)輪的特殊結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部空化流動(dòng)比常規(guī)軸流泵更加復(fù)雜，同時(shí)涉及湍流、相變等復(fù)雜過(guò)程，利用數(shù)值模擬難以準(zhǔn)確捕捉，可視化實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)采集技術(shù)仍然是主要的實(shí)驗(yàn)研究手段，但是目前關(guān)于誘導(dǎo)輪內(nèi)空化流動(dòng)發(fā)展及其與壓力脈動(dòng)之間的關(guān)系鮮見(jiàn)報(bào)道。為了充分揭示誘導(dǎo)輪內(nèi)空化流動(dòng)特點(diǎn)，本文搭建空化流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以某三葉片誘導(dǎo)輪為研究對(duì)象，利用高速攝像結(jié)合壓力脈動(dòng)采集等實(shí)驗(yàn)手段研究誘導(dǎo)輪內(nèi)的空化發(fā)展規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，整體為閉式循環(huán)結(jié)構(gòu)，包含儲(chǔ)水箱、管路、整流段、測(cè)試段和流量計(jì)等部件。儲(chǔ)水箱體積為1 000 L，通過(guò)閥門(mén)和工藝泵的配合可實(shí)現(xiàn)管路中流量變化范圍為0～40 L/s。電機(jī)通過(guò)扭矩儀與誘導(dǎo)輪相連，其中電機(jī)最大功率為30 kW，最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，扭矩儀工作范圍0～20 kN，精度為0.2%。儲(chǔ)水箱內(nèi)安裝有電阻加熱器，通過(guò)與換熱器之間配合準(zhǔn)確控制回路中的水溫，目前可實(shí)現(xiàn)的最高加熱溫度為95℃。儲(chǔ)水箱與氣路循環(huán)系統(tǒng)相連，通過(guò)真空泵、高壓氣源和閥門(mén)之間的配合可實(shí)現(xiàn)入口壓力變化范圍為3×103～6.0×105Pa，滿足本文實(shí)驗(yàn)要求。同時(shí)每次實(shí)驗(yàn)前，運(yùn)行真空泵一段時(shí)間進(jìn)行除氣，回路中安裝有溶氧儀，實(shí)時(shí)采集水中的含氣量，目前含氣量可降至3 μL/L，滿足空化實(shí)驗(yàn)要求。兩個(gè)穩(wěn)態(tài)壓力傳感器(量程-0.1～1.6 MPa，精度0.075%)分別位于上游距葉片前緣7倍管徑處和下游5倍管徑處，用于采集誘導(dǎo)輪的揚(yáng)程特性；同時(shí)上游8倍管徑處安裝有PT100型溫度傳感器(量程-20～150℃)，用于采集入口來(lái)流溫度。此外，為了采集誘導(dǎo)輪入口附近壓力脈動(dòng)，沿周向和軸向共布置6個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器(量程0.07～345 kPa，頻響50 kHz)，其具體布局如圖2(圖中D表示誘導(dǎo)輪外徑)所示，本文實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的采樣率均為5 kHz。

圖2 測(cè)試段測(cè)點(diǎn)布局Fig.2 Distribution of measurement points at test section

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Test facility schematic1.實(shí)驗(yàn)臺(tái) 2.工藝泵 3.流量計(jì) 4.調(diào)節(jié)閥門(mén) 5.儲(chǔ)水箱 6.電加熱器 7.除氣系統(tǒng) 8.過(guò)濾器 9.熱交換器 10.測(cè)試段 11.高速攝像機(jī)

為了對(duì)空化流動(dòng)進(jìn)行可視化觀察，測(cè)試段殼體采用透明的有機(jī)玻璃材質(zhì)。本文攝像機(jī)分辨率1 280像素×800像素時(shí)的拍攝速率為6 315 f/s，最小曝光時(shí)間1 μs，滿足本文實(shí)驗(yàn)要求。同時(shí)通過(guò)同步系統(tǒng)將高速攝像機(jī)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，從而精確控制高速視頻的采集點(diǎn)。

本文的研究對(duì)象為一典型三葉片誘導(dǎo)輪，直徑為100 mm，葉尖稠度為3.2，葉尖安裝角為9.6°，葉片前緣修圓包角為150°，入口輪轂直徑為16 mm，出口輪轂直徑為35.5 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模型誘導(dǎo)輪Fig.3 Model inducer

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 誘導(dǎo)輪性能

水力性能實(shí)驗(yàn)在固定轉(zhuǎn)速和來(lái)流壓力下進(jìn)行，不斷調(diào)整流量獲取揚(yáng)程系數(shù)隨流量系數(shù)變化曲線，這里揚(yáng)程系數(shù)ψ和流量系數(shù)Φ表達(dá)式為

(1)

(2)

式中pout、pin——出口壓力和入口壓力，Pa

ρ——液體密度，kg/m3

Vtip——葉尖切向速度，m/s

Q——來(lái)流體積流量，m3/s

A——來(lái)流橫截面積，m2

對(duì)于本文所采用的誘導(dǎo)輪，其設(shè)計(jì)點(diǎn)流量系數(shù)Φd=0.087，設(shè)計(jì)點(diǎn)揚(yáng)程系數(shù)ψd=0.154。圖4為不同轉(zhuǎn)速下的無(wú)空化水力性能曲線，可以看出，在本實(shí)驗(yàn)流量范圍內(nèi)，揚(yáng)程系數(shù)隨流量系數(shù)下降幾乎線性增大，與預(yù)期結(jié)果相符。而且不同轉(zhuǎn)速下的水力性能曲線幾乎完全重合，表明該條件下誘導(dǎo)輪內(nèi)流動(dòng)處于自模區(qū)(Re=ρVtipD/μ=2.9×106>1×105，其中μ為液體的動(dòng)力粘度，單位為Pa·s)，雷諾數(shù)對(duì)流動(dòng)特征無(wú)較大影響。

圖4 無(wú)空化性能曲線Fig.4 Non-cavitation performance curves

空化性能實(shí)驗(yàn)在固定轉(zhuǎn)速和流量下進(jìn)行，不斷降低來(lái)流空化數(shù)，直至發(fā)生性能斷裂，這里空化數(shù)定義為

(3)

式中pv——來(lái)流溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓，Pa

圖5 不同流量系數(shù)下空化性能曲線Fig.5 Cavitation performance curves at different values of Φ

實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在5 000 r/min的轉(zhuǎn)速下獲取，本文中涉及的物性參數(shù)均來(lái)自NIST數(shù)據(jù)庫(kù)[19]。完整的空化性能曲線如圖5a所示，當(dāng)空化數(shù)較高時(shí)，3種流量系數(shù)下的揚(yáng)程系數(shù)均保持不變，當(dāng)空化數(shù)下降至某臨界值時(shí)，揚(yáng)程系數(shù)急劇下降，發(fā)生性能斷裂。一般工程上將揚(yáng)程下降3%(或5%)作為臨界空化數(shù)，但是針對(duì)本文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于靠近斷裂點(diǎn)時(shí)發(fā)生的空化不穩(wěn)定現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致?lián)P程出現(xiàn)部分下降(形成臺(tái)階)，下降幅度已經(jīng)超過(guò)5%，因此本文認(rèn)為采用這種方式作為臨界空化數(shù)不能反映真實(shí)的斷裂特性。針對(duì)本文的誘導(dǎo)輪，揚(yáng)程系數(shù)在某臨界值后會(huì)發(fā)生急劇下降，如圖5a所示。臨界空化數(shù)σⅠ隨流量系數(shù)變化關(guān)系如圖5b所示，其隨著流量系數(shù)升高而增大，表明流量越大，斷裂發(fā)生得越早，下文中將結(jié)合可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果作進(jìn)一步分析。同時(shí)將揚(yáng)程下降30%時(shí)對(duì)應(yīng)的空化數(shù)定義為斷裂空化數(shù)σⅡ，可以看出σⅡ隨流量系數(shù)并不呈單調(diào)變化的關(guān)系，表明從斷裂空化數(shù)的角度，存在某個(gè)流量使誘導(dǎo)輪具備最優(yōu)的空化性能。注意到在臨界空化數(shù)σⅠ之前，在空化數(shù)降低至某值σr(如圖5a所示，Φ=0.085時(shí)，σr=0.087；Φ=0.077時(shí)，σr=0.056)時(shí)，揚(yáng)程會(huì)下降5%左右，形成一個(gè)臺(tái)階，而在小流量條件下則沒(méi)有該現(xiàn)象。

2.2 空化區(qū)發(fā)展

高速采集的不同流量系數(shù)和不同空化數(shù)下的空化區(qū)結(jié)構(gòu)如圖6所示，可以看出這里所采用的實(shí)驗(yàn)方法能夠清晰捕捉空化發(fā)展過(guò)程。

圖6 不同工況下的空化區(qū)發(fā)展過(guò)程Fig.6 Cavity development under different conditions

對(duì)于開(kāi)式誘導(dǎo)輪，由于葉片與殼體之間存在葉頂間隙，在葉片壓力面和吸力面壓差作用下形成向上游發(fā)展的泄漏流，泄漏流與主流相互作用會(huì)在葉尖前緣形成泄漏渦，渦核處壓力較低，因此空化初生通常發(fā)生于泄漏渦中(σ=0.869)。進(jìn)一步降低空化數(shù)時(shí)(σ=0.599)，泄漏渦空化體積顯著增大，但仍局限于泄漏渦范圍以內(nèi)，此時(shí)葉片前緣和葉尖泄漏流中均未發(fā)生肉眼可分辨的空化。由于泄漏渦自身的非定常特性，泄漏渦空化區(qū)呈螺旋狀非定常擺動(dòng)。隨著空化數(shù)逐漸降低，泄漏流中逐漸出現(xiàn)片狀的剪切層空化，其與泄漏渦空化連成一片，形成穩(wěn)定的三角狀葉尖泄漏空化區(qū)(σ=0.189)。空化區(qū)的面積隨著空化數(shù)降低逐漸增大(σ=0.091)，此時(shí)空化區(qū)尾部不斷發(fā)生小幅脫落，但并未影響到相鄰葉片的液流角，因此3個(gè)葉片上的空化區(qū)呈對(duì)稱分布。

對(duì)比不同流量下的結(jié)果可以看出，相同空化數(shù)下，流量越小則空化區(qū)面積越大。這是由于小流量下沖角較大，葉片載荷也更大，空化區(qū)更易于向上游發(fā)展，形成更大面積的空化區(qū)。而大流量下由于沖角較小，空化區(qū)易于沿著流道發(fā)展。當(dāng)空化數(shù)進(jìn)一步減小時(shí)，沖角不同會(huì)導(dǎo)致不同的空化形態(tài)。圖7為小流量下發(fā)生的回流渦空化，回流渦是由泄漏渦發(fā)展而來(lái)[2-5]，在葉片壓差作用下不斷向上游延伸，流量越小，回流渦向上游延伸越遠(yuǎn)，空化數(shù)足夠低時(shí)，回流渦渦核處發(fā)生空化。回流渦空化既繞葉輪轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)，也繞自身渦核自轉(zhuǎn)。但此時(shí)空化區(qū)主要集中于葉片上游，流道內(nèi)部阻塞較小，因此誘導(dǎo)輪的揚(yáng)程并未受到較大影響。

圖7 回流渦空化(σ=0.04，Φ=0.062)Fig.7 Backflow vortex cavitation (σ=0.04, Φ=0.062)

圖8給出大流量下不同時(shí)刻3個(gè)葉片上的空化區(qū)形態(tài)，3個(gè)葉片表面空化區(qū)呈明顯的非對(duì)稱分布?？梢钥闯鋈~片1表面的空化區(qū)最長(zhǎng)，占據(jù)了整個(gè)流道，甚至發(fā)展至葉片出口；而葉片2、3表面空化區(qū)幾乎完全消失。而且可以看出每個(gè)時(shí)刻下均有相同的非對(duì)稱分布，即葉片1表面空化區(qū)最長(zhǎng)，葉片2、3空化區(qū)幾乎消失，表明這里的非對(duì)稱分布相對(duì)于葉片是固定的，并不沿周向傳播，這對(duì)應(yīng)著文獻(xiàn)[3]中發(fā)現(xiàn)的同步旋轉(zhuǎn)空化(Synchronous rotating cavitation, SRC)，其形成原因可能是由于葉片的加工過(guò)程中存在誤差，導(dǎo)致葉片結(jié)構(gòu)并非完全對(duì)稱分布。同時(shí)非對(duì)稱空化對(duì)整個(gè)流道的局部阻塞可能是圖5中臺(tái)階形成的原因，下文中將結(jié)合壓力脈動(dòng)測(cè)量結(jié)果作進(jìn)一步分析。

圖8 非對(duì)稱空化(σ=0.04，Φ=0.085)Fig.8 Asymmetry cavities (σ=0.04, Φ=0.085)

當(dāng)進(jìn)一步降低空化數(shù)時(shí)，空化區(qū)完全占據(jù)流道，并且發(fā)展至誘導(dǎo)輪出口，如圖9所示，影響了葉片出口的液流角，根據(jù)歐拉方程，誘導(dǎo)輪失去作功能力，發(fā)生揚(yáng)程斷裂。

圖9 斷裂后的空化區(qū)結(jié)構(gòu)(σ=0.014，Φ=0.085)Fig.9 Cavity structures after breakdown (σ=0.014， Φ=0.085)

2.3 空化發(fā)展過(guò)程中的壓力脈動(dòng)特性

圖10 入口壓力脈動(dòng)STFFT結(jié)果Fig.10 STFFT results of inlet pressure fluctuation

為了分析誘導(dǎo)輪葉尖的壓力脈動(dòng)特性，分別沿軸向和周向布置了6個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器，如圖2所示，對(duì)入口采集的壓力脈動(dòng)進(jìn)行短時(shí)傅里葉分析(STFFT)，結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯觯栈瘮?shù)較大時(shí)，壓力脈動(dòng)幅值平穩(wěn)，主頻為3f0(f0為葉輪轉(zhuǎn)頻，圖中無(wú)量綱頻率為f/f0，f為STFFT得到的頻率)，對(duì)應(yīng)著葉片通過(guò)頻率。當(dāng)空化數(shù)降低至某值時(shí)，壓力脈動(dòng)幅值開(kāi)始顯著增大，結(jié)合可視化結(jié)果，可能是由于空化區(qū)向上游發(fā)展至傳感器所在位置，空化區(qū)內(nèi)氣泡的不斷形成和潰滅導(dǎo)致壓力脈動(dòng)幅值增強(qiáng)。由上文中分析的空化區(qū)發(fā)展過(guò)程可知，流量越小，空化區(qū)越傾向于向上游發(fā)展，因而壓力脈動(dòng)幅值開(kāi)始顯著增大時(shí)的空化數(shù)越大，如圖10所示。此后壓力脈動(dòng)幅值隨空化數(shù)減小而逐漸增強(qiáng)，但是由于這一階段3個(gè)葉片表面空化區(qū)呈對(duì)稱分布(見(jiàn)圖6)，因而主頻依然為3f0。進(jìn)一步降低空化數(shù)時(shí)，f0幅值開(kāi)始增大，在大流量條件下(Φ=0.077、Φ=0.085)，f0完全成為主頻，由圖8可知，這是由于此時(shí)發(fā)生了同步旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象(SRC)，即非對(duì)稱分布的空化區(qū)以f0沿周向傳播(絕對(duì)坐標(biāo)系)。同時(shí)SRC開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)的空化數(shù)恰好對(duì)應(yīng)著圖5中的σr，進(jìn)一步證實(shí)了SRC的出現(xiàn)是導(dǎo)致空化性能曲線中靠近斷裂點(diǎn)時(shí)臺(tái)階出現(xiàn)的原因。而在小流量條件下(Φ=0.062)，雖然葉片表面的空化區(qū)也是呈非對(duì)稱分布，但流道中空化特征以回流渦空化為主(見(jiàn)圖7)，此時(shí)f0及其倍頻2f0、3f0均較顯著，而且揚(yáng)程受影響較小。當(dāng)空化數(shù)進(jìn)一步靠近斷裂點(diǎn)時(shí)，大流量下出現(xiàn)低頻分量f1=6 Hz(0.07f0)及其與f0非線性作用形成的諧頻，為了進(jìn)一步確定該頻率對(duì)應(yīng)的空化不穩(wěn)定，取不同周向位置傳感器采集的信號(hào)作互相關(guān)分析。

圖11 互相關(guān)分析結(jié)果Fig.11 Results of cross-correlation analysis

對(duì)于葉輪機(jī)械中的旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，其內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)單元數(shù)目n可由信號(hào)的相位差φ和傳感器的角度距離Δθ之比確定，即n=φ/Δθ，真實(shí)的旋轉(zhuǎn)頻率則為fr=f/n(f為FFT結(jié)果)。圖11為兩個(gè)典型空化數(shù)下的FFT結(jié)果、相位差和互相關(guān)系數(shù)，這里信號(hào)取自兩個(gè)間隔60°的動(dòng)態(tài)壓力傳感器，如果其互相關(guān)系數(shù)為1，表明兩個(gè)信號(hào)之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，可以認(rèn)為該頻率分量是客觀存在的。當(dāng)σ=0.035時(shí)，此時(shí)f0為主頻(見(jiàn)圖11)，兩個(gè)信號(hào)的相位差φ=64°，表明有一個(gè)旋轉(zhuǎn)單元以轉(zhuǎn)速f0沿周向傳播，這與圖8相對(duì)應(yīng)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)此頻率下互相關(guān)系數(shù)為0.99，進(jìn)一步證實(shí)了該工況下發(fā)生了SRC，也驗(yàn)證了這種分析方法的正確性。當(dāng)σ=0.023時(shí)，此時(shí)低頻分量f1=6 Hz(0.07f0)變?yōu)橹黝l，同時(shí)在f0周圍出現(xiàn)了顯著的諧頻分量，兩個(gè)信號(hào)相位差為0°，互相關(guān)系數(shù)為1，通常認(rèn)為這對(duì)應(yīng)著軸向不穩(wěn)定現(xiàn)象，結(jié)合文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)論，本文認(rèn)為該空化數(shù)下發(fā)生了空化喘振(Cavitation surge, CS)，這是一種典型的軸向不穩(wěn)定現(xiàn)象，一般發(fā)生在靠近斷裂點(diǎn)的工況，表現(xiàn)形式為3個(gè)葉片表面空化區(qū)長(zhǎng)度以同相位同周期大幅振蕩，也會(huì)導(dǎo)致流道中的壓力和流量大幅振蕩，通常認(rèn)為其形成機(jī)理與局部流動(dòng)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的耦合有關(guān)。

圖12 為發(fā)生SRC和CS的不同周向傳感器采集的原始?jí)毫π盘?hào)(Φ=0.085)，這里4號(hào)和5號(hào)傳感器間隔為60°，5號(hào)和6號(hào)傳感器間隔為120°，如圖2所示?？梢钥闯?，發(fā)生SRC時(shí)，壓力呈現(xiàn)較明顯的周期性，不同周向位置獲取的壓力信號(hào)存在顯著的相位差，而且相位差與傳感器之間的周向距離是密切相關(guān)的；發(fā)生CS時(shí)，壓力大幅增加的周期顯著變長(zhǎng)，不同傳感器獲取的壓力信號(hào)是同相位變化的，表明CS是一種軸向不穩(wěn)定現(xiàn)象，進(jìn)一步證實(shí)了圖11分析的結(jié)果。

圖12 發(fā)生SRC和CS時(shí)的原始?jí)毫π盘?hào)Fig.12 Original pressure signals when SRC and CS occurred

圖13給出了不同軸向位置采集信號(hào)的分析結(jié)果，可以看出其與入口壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)截然不同的特征。對(duì)于流道中間的壓力脈動(dòng)，空化數(shù)較大時(shí)依然是3f0主導(dǎo)，與圖10c最顯著的區(qū)別在于，發(fā)生SRC后，f0幅值大幅增加，遠(yuǎn)超過(guò)3f0，這與文獻(xiàn)[20-21]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，即SRC會(huì)導(dǎo)致大幅的同步壓力振蕩。由圖6可知，σ=0.091時(shí)，雖然空化區(qū)較短，但是易于向上游延伸，導(dǎo)致入口壓力測(cè)點(diǎn)完全位于空化區(qū)內(nèi)，而且由于泄漏渦的非定常特性，空化區(qū)外緣不斷在變化，這一過(guò)程中伴隨著大量氣泡的生成和潰滅，因此入口壓力脈動(dòng)幅值較高，且由于3個(gè)葉片表面空化區(qū)均勻分布，主頻一直為3f0，而流道中間測(cè)點(diǎn)受空化區(qū)影響較小，故壓力脈動(dòng)幅值較小。而當(dāng)SRC發(fā)生時(shí)(見(jiàn)圖8)，葉片2、3表面空化區(qū)很小，不足以影響到入口測(cè)點(diǎn)；葉片1表面空化區(qū)較長(zhǎng)，但是由于受到葉片流道的限制，空化區(qū)向上游延伸范圍有限，而且空化區(qū)外緣沒(méi)有顯著的變化，即空化區(qū)的非定常性更弱，此時(shí)入口測(cè)點(diǎn)依然位于空化區(qū)之外，故入口壓力信號(hào)以f0為主，但是幅值較小。而葉片流道中間壓力則完全受SRC的影響，幅值大幅增加。

圖13 不同軸向位置信號(hào)STFFT結(jié)果(Φ=0.085) Fig.13 STFFT results of signals from transducers at different axial locations (Φ=0.085)

對(duì)于出口壓力信號(hào)，可以看出，由于在大部分空化數(shù)范圍內(nèi)，出口不受空化區(qū)的影響，故其主頻一直為3f0，且幅值較平穩(wěn)，只有當(dāng)揚(yáng)程斷裂發(fā)生以后，幅值出現(xiàn)驟增，表明此時(shí)空化區(qū)已經(jīng)發(fā)展至誘導(dǎo)輪出口，如圖9所示。值得注意的是，可以看到在3個(gè)軸向位置，靠近斷裂點(diǎn)時(shí)，低頻分量f1=6 Hz一直存在，進(jìn)一步證實(shí)了空化喘振是一種系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象；而SRC引起的f0幅值增大在出口信號(hào)中則無(wú)法體現(xiàn)，表明同步旋轉(zhuǎn)空化是一種局部流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)不同流量下的空化性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：流量越大，臨界空化數(shù)σⅠ也越大，即在大流量下，空化斷裂會(huì)越早發(fā)生；斷裂空化數(shù)σⅡ不隨流量單調(diào)變化，存在某個(gè)流量點(diǎn)使σⅡ最小，即空化性能最佳。

(2)清晰地捕捉到隨空化數(shù)的降低誘導(dǎo)輪內(nèi)部空化區(qū)的發(fā)展過(guò)程，空化發(fā)生于泄漏渦中，隨著空化數(shù)降低，泄漏渦空化區(qū)逐漸增大，且逐漸與泄漏流中的剪切層空化連成一片，形成穩(wěn)定的三角狀空化區(qū)，且不同葉片表面空化區(qū)呈對(duì)稱分布。進(jìn)一步降低空化數(shù)時(shí)，根據(jù)流量的不同，開(kāi)始出現(xiàn)各種類型的空化不穩(wěn)定現(xiàn)象。

(3)流量較小時(shí)，空化區(qū)面積更大，且傾向于向上游發(fā)展，直至形成若干個(gè)穩(wěn)定的回流渦空化區(qū)；大流量條件下，空化區(qū)傾向于沿著葉片流道發(fā)展，直至影響相鄰葉片的液流角，導(dǎo)致3個(gè)葉片表面空化區(qū)呈非對(duì)稱分布；進(jìn)一步降低空化數(shù)時(shí)，空化區(qū)發(fā)展至誘導(dǎo)輪出口，影響了出口液流角，發(fā)生揚(yáng)程斷裂。

(4)空化的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致局部壓力脈動(dòng)幅值顯著增大，對(duì)不同周向位置傳感器獲取的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，并結(jié)合高速攝像獲取的空化區(qū)結(jié)構(gòu)特征，識(shí)別了兩種不同的空化不穩(wěn)定現(xiàn)象，即同步旋轉(zhuǎn)空化和空化喘振。前者以固定于葉片表面、不沿周向傳播的非對(duì)稱空化區(qū)為特征，是一種局部的周向流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，會(huì)造成揚(yáng)程部分下降，空化性能曲線形成臺(tái)階；后者是一種系統(tǒng)的軸向不穩(wěn)定現(xiàn)象，其形成機(jī)理可能與局部流動(dòng)特征和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的耦合有關(guān)。