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展變化情況，分析了其內部的壓力脈動現象，并與單級誘導輪進行了對比。結果表明:兩級誘導輪能減小初生氣蝕數，降低同步旋轉氣蝕的強度，但在1.1Qd和設計流量Qd工況下，兩級誘導輪發生了頻率為21Hz的徑向不穩定現象。

關鍵詞:兩級誘導輪;氣蝕性能;回流;同步旋轉氣蝕

引言

渦輪泵是液體火箭發動機的關鍵組件之一，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置太高，受工況變化或其他干擾因素的影響，可能會產生嚴重的氣蝕。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。當誘導輪發生氣蝕時，在某些工況下，還可能會產生氣蝕不穩定現象，如旋轉氣蝕［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，抑制氣蝕不穩定現象的發生，國內外學者進行了大量研究。1993年，日本學者Tsujimoto［5－6］創造性地提出了第一個較為完整的旋轉氣蝕理論計算模型，研究了旋轉氣蝕的影響因素。2006年，Ugajin等［7］采用DES(DetachedEddySimulation)方法對誘導輪內的氣蝕流動進行了非定常數值計算，通過計算分析發現: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構［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，通過分析他們發現氣穴附近的局部流動對非對稱氣蝕的發生有重要影響，而非對稱氣蝕會對誘導輪的揚程產生影響。他們還研究了一個兩葉片兩級式誘導輪的氣蝕性能，發現兩級式誘導輪與傳統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定現象有較好的抑制作用［12］。2015年，Campos-Amezcua等［13］采用數值仿真方法研究了誘導輪的非穩態氣蝕流，結果顯示氣穴最初出現在葉片前緣，其變化主要受流量和吸力面壓力的影響，他們指出旋轉氣蝕的產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，在前面設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

原誘導輪的參數見文獻［18］，將原誘導輪作為第二級誘導輪，第一級誘導輪設計為短葉片等螺距誘導輪，主要參數見表1，具體設計方法見參考文獻［12］中的設計方法。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，試驗轉速為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。試驗數據采樣頻率設為1600Hz，并且持續4秒。

3試驗結果與分析

誘導輪的流量、入口壓力和揚程分別用無量綱數流量系數、氣蝕數和揚程系數表示。式中:Φ為流量系數;σ為氣蝕數;Ψ為揚程系數;Ω為轉速，rad/s;rT為誘導輪葉尖直徑，m;Q為體積流量，m3/s;pv為介質的飽和蒸汽壓，Pa;p1為誘導輪入口靜壓，Pa;ρ為介質密度，kg/m3;p2為誘導輪出口靜壓，Pa。

3．1水力性能試驗結果兩級誘導輪的水力性能試驗結果見圖2，圖中紅色曲線表示原誘導輪單獨試驗獲得的結果，綠色曲線表示兩級誘導輪的試驗結果。可以看出，兩級誘導輪的揚程要整體低于原誘導輪，在設計流量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生氣蝕，采用了5mm的大葉尖間隙。受第一級誘導輪影響，介質在第二級誘導輪入口存在預旋，于是第二級誘導輪對介質做功減少，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果，虛線表示原誘導輪單獨試驗獲得的結果。對比圖3中實線和虛線，發現兩級誘導輪在設計流量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均比原誘導輪小，即兩級誘導輪對氣蝕產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，兩級誘導輪內部發生了同步旋轉氣蝕現象。并且在設計流量Qd和1.1Qd流量下，當σ=0.0341時，頻率f=43Hz處也出現了壓力峰值，經過分析，該頻率為兩個旋轉單元體頻率的疊加，單個旋轉單元體的頻率為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、設計流量Qd和1.1Qd工況下，同步旋轉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的氣穴形狀［12］，但在設計流量Qd和1.1Qd工況下也引起了新的21Hz的徑向不穩定現象。

4結論

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氣蝕的強度，但在1.1Qd和設計流量Qd工況下，兩級誘導輪發生了頻率為21Hz的徑向不穩定現象。

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