環(huán)形槽對誘導輪空化性能的影響研究

王 玨，陳 曉，畢辰宇，崔 壘，李家文

環(huán)形槽對誘導輪空化性能的影響研究

王 玨1，陳 曉2，畢辰宇3，崔 壘4，李家文3

（1. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2. 北京航天動力研究所，北京，100076；3. 北京航空航天大學宇航學院，北京，100191；4. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

為了研究環(huán)形槽對誘導輪空化性能的影響，以帶環(huán)形槽的誘導輪為研究對象，采用Standard-湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型開展仿真計算，并進行了相似工況下的可視化試驗。結果表明，安裝環(huán)形槽后，誘導輪的揚程略有降低，但旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象消失，并且在更低的空化數(shù)條件下誘導輪的揚程基本保持穩(wěn)定。環(huán)形槽通過增強誘導輪的葉尖回流，改變了誘導輪入口的流場結構和壓力分布，使流場中的低壓區(qū)向誘導輪流道中部和槽體后緣轉(zhuǎn)移，從而改變了氣穴區(qū)初生的位置，也抑制了旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象。受離心力作用，氣穴區(qū)向環(huán)形槽流道發(fā)展，推遲了誘導輪流道的堵塞時間。

誘導輪；環(huán)形槽；空化；仿真計算

0 引 言

航天技術的發(fā)展對液體火箭發(fā)動機渦輪泵提出了高速、高壓、輕質(zhì)量的性能要求[1]。為了減輕貯箱的結構質(zhì)量，安裝在泵前的誘導輪需要工作在較低的入口壓力條件下，容易發(fā)生空化問題[2-3]?？栈瘯е抡T導輪流道堵塞，影響泵的正常工作[4]，還會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)空化、空化喘振等空化不穩(wěn)定問題，使誘導輪承受脈動壓力，引起軸振動[5-7]，嚴重時甚至會導致發(fā)射失敗[8]。

近年來，為了提高誘導輪的空化性能，國內(nèi)外學者開展了大量的研究工作。Bakir等[9]研究了不同入口邊形狀對誘導輪空化性能的影響，發(fā)現(xiàn)入口邊形狀通過改變?nèi)~尖的回流渦結構來影響氣穴分布；Kim等[10]在誘導輪上游安裝環(huán)形擋板，成功抑制了空化喘振現(xiàn)象，誘導輪的空化性能得到改善；宋沛原等[11]采用仿真方法研究了輪轂形狀對誘導輪性能的影響，結果表明輪轂型線會顯著影響誘導輪揚程，而在相同入口流動狀態(tài)條件下對空化性能的影響較?。焕钚赖萚12]研究了兩級誘導輪的氣穴發(fā)展變化情況，并和單級誘導輪對比分析了壓力脈動情況；王文廷等[13]研究了縫隙誘導輪的空化性能，結果表明相比無縫隙誘導輪，安裝縫隙誘導輪的離心泵穩(wěn)定工作工況范圍有所提升，小流量工況下的泵空化性能明顯改善；Kimura等[14]采用CFD方法研究了殼體形狀的影響，指出入口附近的殼體臺階會顯著影響回流形式、壓力分布以及氣穴發(fā)展。由于殼體結構的細微改動就會對誘導輪的空化性能產(chǎn)生較大的影響，受到越來越多研究者的關注[15-18]。

環(huán)形槽是誘導輪殼體上的環(huán)形凹槽結構，位于誘導輪入口前緣，以限制尖端泄漏渦的發(fā)展。目前中國學者采用了定常仿真方法對環(huán)形槽的結構尺寸開展研究，分析了不同軸向長度、徑向高度和軸向位置對誘導輪空化性能的影響[19-20]，而對環(huán)形槽誘導輪的非定常特性研究較少。本文對帶有環(huán)形槽的誘導輪開展定常和非定常仿真研究，分析了環(huán)形槽對誘導輪內(nèi)部流動特性以及空化性能的影響。

1 研究對象

1.1 幾何模型

本文的研究對象為帶環(huán)形槽的三葉片誘導輪，其結構如圖1所示。環(huán)形槽軸向長度為40 mm，以誘導輪前緣最大直徑處為界限，一半處于誘導輪入口，一半伸入誘導輪流道，環(huán)形槽徑向深度為1 mm。整個計算域由進口管、誘導輪、環(huán)形槽和出口管4個子域組成。

圖1 幾何結構

1.2 網(wǎng)格劃分

綜合使用四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，通過將四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為多面體網(wǎng)格以提高計算效率。開展網(wǎng)格無關性驗證，結果隨著網(wǎng)格數(shù)量增加，揚程變化小于0.2%，最后選取1 067 722數(shù)量網(wǎng)格開展后續(xù)研究，計算域和計算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算域和計算網(wǎng)格

2 數(shù)值計算方法

本研究采用雷諾時均方程法開展三維仿真計算，獲得誘導輪內(nèi)部流動情況。湍流模型選擇Standard-模型，該模型假設流動為完全湍流，因此對近壁面區(qū)域采用標準壁面函數(shù)處理?？栈Ｐ瓦x擇Schnerr-Sauer模型，該模型基于Rayleigh-Plesset單氣泡動力學方程，得到氣相質(zhì)量變化率為

采用液態(tài)水作為計算工質(zhì)，溫度25 ℃，飽和蒸氣壓為3169 Pa。轉(zhuǎn)速設置為4000 轉(zhuǎn)/min，進口邊界條件設置為質(zhì)量流量進口，流量為27.69 kg/s。出口邊界條件設置為壓力出口。壁面邊界條件設置為絕熱無滑移邊界。

為了便于比較和分析，采用無量綱參數(shù)（空化數(shù)）描述液流的空化狀態(tài)，空化數(shù)按式（2）定義：

3 結果與討論

3.1 空化特性

在額定流量條件下開展定常仿真計算，得到誘導輪空化性能曲線如圖3所示。對于直殼體誘導輪，未發(fā)生空化時揚程為15.56 m，在空化數(shù)從0.05減小到0.02的過程中，揚程先減小后增大，出現(xiàn)“凹坑”現(xiàn)象。隨著空化數(shù)進一步減小，誘導輪揚程迅速降低，以揚程下降10%作為空化斷裂點，直殼體誘導輪的臨界空化數(shù)為0.0074。對于環(huán)形槽誘導輪，未發(fā)生空化時揚程為14.24 m，和直殼體誘導輪相比揚程下降了8.5%。隨著空化數(shù)逐漸減小，誘導輪揚程開始時基本保持不變，當汽蝕數(shù)小于0.013時，揚程開始迅速下降，環(huán)形槽誘導輪發(fā)生空化斷裂的臨界空化數(shù)為0.0089。因此，安裝環(huán)形槽后，誘導輪揚程有所降低，但能在更低的空化數(shù)條件下保證揚程基本穩(wěn)定。

圖3 空化性能曲線

在定常計算結果的基礎上開展非定常仿真計算，時間步長設置為4.167×10-5s，并在計算過程中對葉片上的氣穴尺寸進行監(jiān)測，氣穴尺寸定義為氣相體積分數(shù)在葉片吸力面上的積分。圖4為不帶環(huán)形槽的誘導輪氣穴尺寸變化，其中圖4a顯示在空化數(shù)為0.0588時，3個葉片上的氣穴尺寸基本保持穩(wěn)定。圖4b顯示空化數(shù)為0.0441時，3個葉片上的氣穴尺寸發(fā)生周期性的等幅振蕩，并且氣穴尺寸極大值的出現(xiàn)順序依次為：葉片1→葉片2→葉片3，與葉片轉(zhuǎn)動方向相同，統(tǒng)計氣穴遷移頻率，約為轉(zhuǎn)軸頻率的1.197倍，因此該空化數(shù)條件下誘導輪發(fā)生了超同步旋轉(zhuǎn)空化。圖4c顯示的氣穴遷移情況與圖4b類似，更多的計算結果表明在空化數(shù)0.0247～0.0441條件下誘導輪發(fā)生超同步旋轉(zhuǎn)空化，氣穴尺寸以超同步轉(zhuǎn)速在葉片間遷移，使葉片承受不平衡載荷，導致軸振動，影響誘導輪的正常工作。圖4d為帶環(huán)形槽的誘導輪氣穴尺寸變化，從 圖4d中可以看出，安裝環(huán)形槽后，旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象消失，誘導輪的空化不穩(wěn)定性得到改善。

圖4 葉片吸力面上的氣穴尺寸

續(xù)圖4

3.2 流場分析

誘導輪軸向截面靜壓分布如圖5所示。從圖5中可以看出，軸向截面存在壓力梯度變化，對于直殼體誘導輪，低壓區(qū)位于葉片吸力面前緣修圓末端，而對于環(huán)形槽誘導輪，低壓區(qū)轉(zhuǎn)移到誘導輪流道中間區(qū)域和槽體后緣。

圖5 軸向截面靜壓分布對比

在軸向壓力梯度的作用下，誘導輪入口存在回流現(xiàn)象。對于直殼體誘導輪，液體通過葉尖間隙回流；對于環(huán)形槽誘導輪，液體通過葉尖間隙和槽體回流。和直殼體誘導輪相比，環(huán)形槽誘導輪的葉尖泄漏量增加，回流規(guī)模擴大。一方面，回流渦增大導致誘導輪入口攻角減小、做功減少，造成誘導輪揚程下降。另一方面，入口回流還會對誘導輪的流場結構和壓力分布產(chǎn)生影響。安裝環(huán)形槽后，入口漩渦區(qū)向環(huán)形槽聚集，導致流場中的低壓區(qū)向環(huán)形槽后緣發(fā)展。

圖6 軸面速度分布和流線變化

3.3 氣穴體積分布

不同空化數(shù)條件下的氣穴體積分布如圖7所示。從圖7中可以看出，對于直殼體誘導輪，氣穴區(qū)剛開始出現(xiàn)在誘導輪葉片吸力面前緣，隨著空化數(shù)逐漸降低，氣穴區(qū)域同時向著流道下游和輪轂擴大，并逐漸堵塞流道。對于環(huán)形槽誘導輪，氣穴區(qū)剛開始出現(xiàn)在誘導輪中部以及環(huán)形槽后緣，隨著空化數(shù)降低，氣穴區(qū)范圍擴大，在離心力作用下，氣穴區(qū)首先堵塞環(huán)形槽流道，從而推遲了誘導輪流道的堵塞時間。由于安裝環(huán)形槽后，氣穴區(qū)域的初生位置和發(fā)展過程均發(fā)生改變，誘導輪旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象消失。

圖7 氣穴體積分布（10%氣相體積分數(shù)等值面）

3.4 試驗研究

為了驗證仿真結果，以環(huán)形槽誘導輪為研究對象，開展相似工況條件下的空化可視化試驗。隨著空化數(shù)減小，誘導輪的氣穴區(qū)分布如圖8所示。從圖8中可以看出，安裝環(huán)形槽后，氣穴區(qū)首先出現(xiàn)在誘導輪流道中部和環(huán)形槽后緣，隨著空化數(shù)降低，環(huán)形槽附近區(qū)域的氣穴區(qū)范圍增大，與仿真結果相同。由于在環(huán)形槽增強的回流作用下，液流軸向速度增加，導致誘導輪葉尖附近的液流角增大，當液流角大于葉片角時，一方面，誘導輪葉片做功區(qū)域減小，造成誘導輪揚程降低，另一方面，誘導輪入口的低壓區(qū)發(fā)生變化，誘導輪壓力面入口前緣成為空化初生的區(qū)域。因此，環(huán)形槽通過影響入口回流、氣穴區(qū)產(chǎn)生和發(fā)展來影響誘導輪的空化性能。

圖8 不同空化數(shù)下環(huán)形槽誘導輪的氣穴區(qū)變化

4 結 論

本文以環(huán)形槽誘導輪為研究對象，開展定常和非定?？栈抡嬗嬎悖ㄟ^可視化試驗驗證了不同空化數(shù)下誘導輪的氣穴發(fā)展過程，得到以下結論：

a）安裝環(huán)形槽后，額定工況下誘導輪揚程略有降低，而空化不穩(wěn)定性得到改善，表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象消失，誘導輪在更低的空化數(shù)條件下?lián)P程基本保持不變；

b）環(huán)形槽增大了誘導輪的葉尖泄漏，使進口回流得到增強，回流改變了誘導輪入口的流場結構和壓力分布，使流場中的低壓區(qū)向誘導輪流道中部和槽體后緣轉(zhuǎn)移，從而改變了氣穴區(qū)初生的位置，抑制了旋轉(zhuǎn)空化現(xiàn)象；

c）受離心力作用，氣穴區(qū)向環(huán)形槽流道發(fā)展，推遲了誘導輪流道的堵塞時間。

[1] 譚永華. 大推力液體火箭發(fā)動機研究[J]. 宇航學報, 2013, 34(10): 1303-1308.

TAN Yonghua. Research on large thrust liquid rocket engine[J]. Journal of Astronautics, 2013, 34(10): 1303-1308.

[2] BRENNEN C E. Hydrodynamics of pumps[M]. Oxford: Oxford University Press, 1994.

[3] 關醒凡. 現(xiàn)代泵理論與設計[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2011.

GUAN Xingfan. Modern pumps theory and design[M]. Beijing: China Astronautic Publishing Press, 2011

[4] 潘中永, 袁壽其. 泵空化基礎[M]. 鎮(zhèn)江: 江蘇大學出版社, 2013.

PAN Zhongyong, YUAN Shouqi. Fundamentals of cavitation in pumps[M]. Zhenjiang: Jiangsu University Press, 2013.

[5] TSUJIMOTOY, KAMIJO K, YOSHIDA Y. A theoretical analysis of rotating cavitation in inducers[J]. Journal of Fluids Engineering, 1993, 115(1): 135-141.

[6] MAEKAWA Y, TSUJIMOTOY, YOSHIDA Y, et al. Observations of oscillating cavitation of an inducer[J]. Journal of Fluids Engineering, 1997, 119(4): 775-781.

[7] 陳暉, 李斌, 張恩昭, 等. 液體火箭發(fā)動機高轉(zhuǎn)速誘導輪旋轉(zhuǎn)空化[J]. 推進技術, 2009(4): 390-395.

CHEN Hui, LI Bin, ZHANG Enzhao, et al. Rotating cavitation of the high-speed rotational inducer of LPRE[J]. Journal of Propulsion Technology, 2009(4): 390-395.

[8] ROBERT S R, LOREN A G. The space shuttle main engine liquid oxygen pump high-synchronous vibration issue, the problem, the resolution approach, the solution[R]. AIAA-94-3153, 1994.

[9] BAKIR F, KOUIDRI S, NOGUERA R, et al. Experimental analysis of an axial inducer influence of the shape of the blade leading edge on the performances in cavitating regime[J]. Journal of Fluids Engineering, 2003, 125(2): 293-301.

[10] KIM J, ISHIZAKA K, ISHIZAKI M, et al. Suppression effect of upstream installed ring-shaped obstacle plate on cavitation surge in pump inducers[J]. Journal of Fluid Science and Technology, 2008, 3(1): 1-10.

[11] 宋沛原, 李家文, 唐飛. 輪轂形狀對誘導輪性能的影響[J]. 火箭推進, 2012, 38(2): 38-43.

SONG Peiyuan, LI Jiawen, TANG Fei. Effect of hub shape on performance of inducer[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2012, 38(2): 38-43.

[12] 李欣, 肖立明, 劉暢, 等. 三葉片兩級誘導輪的氣蝕性能研究[J]. 火箭推進, 2018, 44(6): 86-90.

LI Xin, XIAO Liming, LIU Chang, et al. Study on cavitation performance of a two-stageinducer with three-blades[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2018, 44(6): 86-90.

[13] 王文廷, 許開富, 李永鵬, 等. 縫隙誘導輪多工況汽蝕性能研究[J]. 火箭推進, 2019, 45(1): 8-13.

WANG Wenting, XU Kaifu, LI Yongpeng, et al. Study on cavitation performance of gap inducer undermulti-operating conditions[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2019, 45(1): 8-13.

[14] KIMURA T, YAMADA H, HASHIMOTO T. CFD simulation of a turbopump inducer[C]. Huntsville: 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 2003.

[15] SHIMIYA N, FUJII A, HORIGUCHI H, et al. Suppression of cavitation instabilities in an inducer by J-groove[J]. Journal of Fluids Engineering, 2006, 130(2): 247-258.

[16] 李欣, 李家文, 王玨, 等. 帶螺旋靜葉誘導輪的氣蝕性能[J]. 北京航空航天大學學報, 2016, 42(12): 2654-2661.

LI Xin, LI Jiawen, WANG Jue, et al. Cavitation performance of inducer with helical static blades[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2016, 42(12): 2654-2661

[17] TIMUSHEV S, KLIMENKO D, KAZENNOV I, et al. Unsteady flow and pressure pulsations in a model axial-vortex stage inducer[J]. Journal of Propulsion Technology, 2019, 40(7): 1458-1466.

[18] 李欣, 胡聲超, 周佑君, 等. 螺旋槽對誘導輪氣蝕性能影響研究[J]. 推進技術, 2020, 41(3): 553-558.

LI Xin, HU Shengchao, ZHOU Youjun, et al. Study on cavitation performance of an inducer with helical grooves[J]. Journal of Propulsion Technology, 2020, 41(3): 553-558.

[19] 楊登峰. 高速誘導輪上游幾何邊界對其空化特性的研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2021.

YANG Dengfeng. Studying on the cavitation characteristics of the upstream geometric boundary of high-speed inducer[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2021.

[20] 程效銳, 楊登峰, 劉明建. 環(huán)形槽位置對高速誘導輪空化性能的影響[J].排灌機械工程學報, 2021, 39(6): 548-554.

CHENG Xiaorui, YANG Dengfeng, LIU Mingjian. Influence of annular groove position on cavitation performance of high-speed inducer[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2021, 39(6): 548-554.

Effect of Annulargroove on the Cavitation Performance of Inducer

WANG Jue1, CHEN Xiao2, BI Chenyu3, CUI Lei4, LI Jiawen3

(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076; 2. Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing, 100076;3. School of Astronautics, Beihang University, Beijing, 100191; 4. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

In order to study the effect of annular groove on the cavitation performance of an inducer, the inducer with annular groove is taken as the research object, simulation calculation is carried out based on the Standard-turbulence model and Schnerr-Sauer cavitation model, and visual experiment under similar working conditions is conducted. The results show that the head of the inducer decreases slightly after installing the groove, but the rotating cavitation phenomenon disappears, and the head of the inducer basically remains stable at a lower cavitation number. The annular groove changes the flow field structure and the pressure distribution at the inlet of inducer by enhancing the tip return flow, so that the low pressure area in flow field transfers to the middle of the inducer channel and the trailing edge of the groove, thus changing the initial position of the cavitation area, and also inhibiting the rotary cavitation phenomenon. Under the action of centrifugal force, the cavitation area develops into annular groove channel, which delays the blockage time of the inducer channel.

inducer; annular groove; cavitation; simulation calculation

2097-1974(2023)02-0047-05

10.7654/j.issn.2097-1974.20230210

V434

A

2023-03-28；

2023-03-31

王 玨（1961-），男，博士，研究員，主要研究方向為液體運載火箭技術。

陳 曉（1991-），男，工程師，主要研究方向為液體火箭發(fā)動機技術。

畢辰宇（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向為葉輪機械設計。

崔 壘（1992-），男，工程師，主要研究方向為液體運載火箭動力系統(tǒng)。

李家文（1972-），男，博士，副教授，主要研究方向為液體火箭發(fā)動機工作過程仿真。