浅析三叶片两级诱导轮的气蚀性能范文
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摘要:为了研究三叶片两级诱导轮的气蚀性能，通过试验获取了诱导轮的水力性能和气蚀性能曲线，观察了两级诱导轮的气蚀发展变化情况，分析了其内部的压力脉动现象，并与单级诱导轮进行了对比。结果表明:两级诱导轮能减小初生气蚀数，降低同步旋转气蚀的强度，但在1.1Qd和设计流量Qd工况下，两级诱导轮发生了频率为21Hz的径向不稳定现象。
关键词:两级诱导轮;气蚀性能;回流;同步旋转气蚀
引言
涡轮泵是液体火箭发动机的关键组件之一，它由涡轮和泵两部分组成，其中泵的作用是对推进剂进行增压。泵通常包括诱导轮和离心轮，其中诱导轮的作用是为离心轮进行增压，防止离心轮发生气蚀。气蚀会造成泵的性能迅速下降，从而影响整个火箭发动机的正常工作。在实际应用中，为了减轻贮箱重量，诱导轮入口的压力通常不能设置太高，受工况变化或其他干扰因素的影响，可能会产生严重的气蚀。因此如何提高诱导轮的气蚀性能成为各国学者研究的重点。当诱导轮发生气蚀时，在某些工况下，还可能会产生气蚀不稳定现象，如旋转气蚀［1－3］、气蚀喘振［4］等，使得诱导轮承受脉动压力，引起轴振动等，从而影响泵的正常工作。为了提高诱导轮的气蚀性能，抑制气蚀不稳定现象的发生，国内外学者进行了大量研究。1993年，日本学者Tsujimoto［5－6］创造性地提出了第一个较为完整的旋转气蚀理论计算模型，研究了旋转气蚀的影响因素。2006年，Ugajin等［7］采用DES(DetachedEddySimulation)方法对诱导轮内的气蚀流动进行了非定常数值计算，通过计算分析发现:当气穴延伸或接近于叶片流道的喉部时，气穴体积的脉动幅值将会增加。2007年，Tomaru等［8］在诱导轮入口壳体处开回流限制槽(BackflowRestrictionStep)成功抑制了气蚀喘振。2009年，Watanabe等［9］研究了热力学效应对诱导轮叶尖泄漏涡气蚀的影响，同时针对一个两叶片诱导轮，研究了其小流量下的回流结构［10］。2012年，韩国的Lee等［11］研究了一个两叶片诱导轮的气蚀性能，观察到了非对称气蚀和气蚀喘振，通过分析他们发现气穴附近的局部流动对非对称气蚀的发生有重要影响，而非对称气蚀会对诱导轮的扬程产生影响。他们还研究了一个两叶片两级式诱导轮的气蚀性能，发现两级式诱导轮与传统的单级式诱导轮相比对气蚀喘振和不对称气蚀等气蚀不稳定现象有较好的抑制作用［12］。2015年，Campos-Amezcua等［13］采用数值仿真方法研究了诱导轮的非稳态气蚀流，结果显示气穴最初出现在叶片前缘，其变化主要受流量和吸力面压力的影响，他们指出旋转气蚀的产生主要是因为片状气蚀与下一级叶片前缘的相互作用。国内北京航空航天大学［14－16］、西安航天动力研究所［17］等单位针对诱导轮的气蚀性能也开展了大量研究。笔者曾研究了变螺距诱导轮的气蚀性能［18］，本文主要以之前的诱导轮为基础，在前面设计了一级短叶片诱导轮，使原来的诱导轮变成两级诱导轮。通过试验，研究了该两级诱导轮的扬程特性与气蚀性能，并且与原诱导轮进行了比较。
1研究对象
原诱导轮的参数见文献［18］，将原诱导轮作为第二级诱导轮，第一级诱导轮设计为短叶片等螺距诱导轮，主要参数见表1，具体设计方法见参考文献［12］中的设计方法。两级诱导轮实物如图1所示。
2试验方法
诱导轮试验装置和试验方法同文献［18］。试验时采用水作为试验工质，试验转速为4000rpm。试验采用两个溅射薄膜压力传感器(型号:CYB－20S;量程:－0.1～0.7MPa，精度:0.5%)，分别用来测量诱导轮入口压力和压升，另有两个同类型的压力传感器(型号:CYB－20S;量程:－0.1～1．0MPa，精度:0.5%)间隔90°安装在透明壳体上用来测量压力脉动。试验数据采样频率设为1600Hz，并且持续4秒。
3试验结果与分析
诱导轮的流量、入口压力和扬程分别用无量纲数流量系数、气蚀数和扬程系数表示。式中:Φ为流量系数;σ为气蚀数;Ψ为扬程系数;Ω为转速，rad/s;rT为诱导轮叶尖直径，m;Q为体积流量，m3/s;pv为介质的饱和蒸汽压，Pa;p1为诱导轮入口静压，Pa;ρ为介质密度，kg/m3;p2为诱导轮出口静压，Pa。
3．1水力性能试验结果两级诱导轮的水力性能试验结果见图2，图中红色曲线表示原诱导轮单独试验获得的结果，绿色曲线表示两级诱导轮的试验结果。可以看出，两级诱导轮的扬程要整体低于原诱导轮，在设计流量Qd下，两级诱导轮的扬程比原诱导轮低15.3%，但随着流量增大，扬程差逐渐减小，在流量系数Φ=0.0745时，两级诱导轮的扬程比原诱导轮低8.1%。两级诱导轮中，第一级诱导轮的作用是为了改善第二级诱导轮的入口条件，为避免第一级诱导轮发生气蚀，采用了5mm的大叶尖间隙。受第一级诱导轮影响，介质在第二级诱导轮入口存在预旋，于是第二级诱导轮对介质做功减少，导致诱导轮扬程比原诱导轮低。
3．2气蚀性能试验结果图3是两级诱导轮的气蚀性能曲线，图中实线表示两级诱导轮试验结果，虚线表示原诱导轮单独试验获得的结果。对比图3中实线和虚线，发现两级诱导轮在设计流量Qd和1.1Qd工况下试验曲线存在阶梯点，但是阶梯点下降的扬程比原诱导轮少，具体见表2;而在0.8Qd工况下，两级诱导轮在气蚀严重时，扬程下降缓慢，并且不存在阶梯点。通过可视化试验，观察了原诱导轮和两级诱导轮的初生气蚀，见图4。不同流量下诱导轮的初生气蚀数见表3。从表中可以明显看出，三种流量下，两级诱导轮的初生气蚀数均比原诱导轮小，即两级诱导轮对气蚀产生有一定的抑制作用。两级诱导轮在不同流量下入口压力的瀑布图见图5～图7。从图中看出，两级诱导轮内部发生了同步旋转气蚀现象。并且在设计流量Qd和1.1Qd流量下，当σ=0.0341时，频率f=43Hz处也出现了压力峰值，经过分析，该频率为两个旋转单元体频率的叠加，单个旋转单元体的频率为21Hz，方向为径向。不同流量下，两级诱导轮与原诱导轮同步旋转气蚀引起的压力脉动的幅值对比见表4。从表中可以看出，在0.8Qd、设计流量Qd和1.1Qd工况下，同步旋转气蚀的最大脉动幅值分别降低了21.8%、40.1%和45.8%，说明两级诱导轮对同步旋转气蚀具有抑制作用，这是因为一级诱导轮改变了二级诱导轮内的气穴形状［12］，但在设计流量Qd和1.1Qd工况下也引起了新的21Hz的径向不稳定现象。
4结论
本文通过试验研究了两级诱导轮的气蚀性能，并与原诱导轮进行了对比研究，得到以下结论:1)两级诱导轮的一级诱导轮采用大叶尖间隙，增强了回流，改善了二级诱导轮的气蚀性能，使同流量下初生气蚀数比原诱导轮减小，但因为第一级诱导轮在第二级诱导轮入口产生了预旋，导致第二级诱导轮做功减小，诱导轮扬程比原诱导轮低。2)两级诱导轮能有效减小同步旋转气蚀的强度，但在1.1Qd和设计流量Qd工况下，两级诱导轮发生了频率为21Hz的径向不稳定现象。
作者：李欣 肖立明 刘畅 胡声超 李家文 王珏 单位：北京宇航系统工程研究所