淺析三葉片兩級誘導輪的氣蝕性能范文

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摘要:為了研究三葉片兩級誘導輪的氣蝕性能，通過試驗獲取了誘導輪的水力性能和氣蝕性能曲線，觀察了兩級誘導輪的氣蝕發(fā)展變化情況，分析了其內(nèi)部的壓力脈動現(xiàn)象，并與單級誘導輪進行了對比。結(jié)果表明:兩級誘導輪能減小初生氣蝕數(shù)，降低同步旋轉(zhuǎn)氣蝕的強度，但在1.1Qd和設(shè)計流量Qd工況下，兩級誘導輪發(fā)生了頻率為21Hz的徑向不穩(wěn)定現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞:兩級誘導輪;氣蝕性能;回流;同步旋轉(zhuǎn)氣蝕

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劑進行增壓。泵通常包括誘導輪和離心輪，其中誘導輪的作用是為離心輪進行增壓，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。在實際應用中，為了減輕貯箱重量，誘導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)生嚴重的氣蝕。因此如何提高誘導輪的氣蝕性能成為各國學者研究的重點。當誘導輪發(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)外學者進行了大量研究。1993年，日本學者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(DetachedEddySimulation)方法對誘導輪內(nèi)的氣蝕流動進行了非定常數(shù)值計算，通過計算分析發(fā)現(xiàn):當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］在誘導輪入口殼體處開回流限制槽(BackflowRestrictionStep)成功抑制了氣蝕喘振。2009年，Watanabe等［9］研究了熱力學效應對誘導輪葉尖泄漏渦氣蝕的影響，同時針對一個兩葉片誘導輪，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輪的氣蝕性能，發(fā)現(xiàn)兩級式誘導輪與傳統(tǒng)的單級式誘導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［14－16］、西安航天動力研究所［17］等單位針對誘導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輪的氣蝕性能［18］，本文主要以之前的誘導輪為基礎(chǔ)，在前面設(shè)計了一級短葉片誘導輪，使原來的誘導輪變成兩級誘導輪。通過試驗，研究了該兩級誘導輪的揚程特性與氣蝕性能，并且與原誘導輪進行了比較。

1研究對象

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

2試驗方法

誘導輪試驗裝置和試驗方法同文獻［18］。試驗時采用水作為試驗工質(zhì)，試驗轉(zhuǎn)速為4000rpm。試驗采用兩個濺射薄膜壓力傳感器(型號:CYB－20S;量程:－0.1～0.7MPa，精度:0.5%)，分別用來測量誘導輪入口壓力和壓升，另有兩個同類型的壓力傳感器(型號:CYB－20S;量程:－0.1～1．0MPa，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1600Hz，并且持續(xù)4秒。

3試驗結(jié)果與分析

誘導輪的流量、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為誘導輪入口靜壓，Pa;ρ為介質(zhì)密度，kg/m3;p2為誘導輪出口靜壓，Pa。

3．1水力性能試驗結(jié)果兩級誘導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輪單獨試驗獲得的結(jié)果，綠色曲線表示兩級誘導輪的試驗結(jié)果。可以看出，兩級誘導輪的揚程要整體低于原誘導輪，在設(shè)計流量Qd下，兩級誘導輪的揚程比原誘導輪低15.3%，但隨著流量增大，揚程差逐漸減小，在流量系數(shù)Φ=0.0745時，兩級誘導輪的揚程比原誘導輪低8.1%。兩級誘導輪中，第一級誘導輪的作用是為了改善第二級誘導輪的入口條件，為避免第一級誘導輪發(fā)生氣蝕，采用了5mm的大葉尖間隙。受第一級誘導輪影響，介質(zhì)在第二級誘導輪入口存在預旋，于是第二級誘導輪對介質(zhì)做功減少，導致誘導輪揚程比原誘導輪低。

3．2氣蝕性能試驗結(jié)果圖3是兩級誘導輪的氣蝕性能曲線，圖中實線表示兩級誘導輪試驗結(jié)果，虛線表示原誘導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輪少，具體見表2;而在0.8Qd工況下，兩級誘導輪在氣蝕嚴重時，揚程下降緩慢，并且不存在階梯點。通過可視化試驗，觀察了原誘導輪和兩級誘導輪的初生氣蝕，見圖4。不同流量下誘導輪的初生氣蝕數(shù)見表3。從表中可以明顯看出，三種流量下，兩級誘導輪的初生氣蝕數(shù)均比原誘導輪小，即兩級誘導輪對氣蝕產(chǎn)生有一定的抑制作用。兩級誘導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σ=0.0341時，頻率f=43Hz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21Hz，方向為徑向。不同流量下，兩級誘導輪與原誘導輪同步旋轉(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%，說明兩級誘導輪對同步旋轉(zhuǎn)氣蝕具有抑制作用，這是因為一級誘導輪改變了二級誘導輪內(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21Hz的徑向不穩(wěn)定現(xiàn)象。

4結(jié)論

本文通過試驗研究了兩級誘導輪的氣蝕性能，并與原誘導輪進行了對比研究，得到以下結(jié)論:1)兩級誘導輪的一級誘導輪采用大葉尖間隙，增強了回流，改善了二級誘導輪的氣蝕性能，使同流量下初生氣蝕數(shù)比原誘導輪減小，但因為第一級誘導輪在第二級誘導輪入口產(chǎn)生了預旋，導致第二級誘導輪做功減小，誘導輪揚程比原誘導輪低。2)兩級誘導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，兩級誘導輪發(fā)生了頻率為21Hz的徑向不穩(wěn)定現(xiàn)象。

作者：李欣 肖立明 劉暢 胡聲超 李家文 王玨 單位：北京宇航系統(tǒng)工程研究所