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1、淺析三葉片兩級誘導(dǎo)輪的氣蝕性能
淺析三葉片兩級誘導(dǎo)輪的氣蝕性能
2019/01/25
摘要:為了研究三葉片兩級誘導(dǎo)輪的氣蝕性能,通過試驗獲取了誘導(dǎo)輪的水力性能和氣蝕性能曲線,觀察了兩級誘導(dǎo)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(dǎo)輪進行了對比。結(jié)果表明:兩級誘導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)輪;氣蝕性能;回流;同步旋
2、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(dǎo)輪和離心輪,其中誘導(dǎo)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(yīng)用中,為了減輕貯箱重量,誘導(dǎo)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(yán)重的氣蝕。因此如何提高誘導(dǎo)輪的氣蝕性能成為各國學(xué)者研究的重點。當(dāng)誘導(dǎo)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(dǎo)輪承受脈動壓力,引起軸振動等,從而
3、影響泵的正常工作。為了提高誘導(dǎo)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(xué)者進行了大量研究。1993年,日本學(xué)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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
4、等[9]研究了熱力學(xué)效應(yīng)對誘導(dǎo)輪葉尖泄漏渦氣蝕的影響,同時針對一個兩葉片誘導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)輪的氣蝕性能,發(fā)現(xiàn)兩級式誘導(dǎo)輪與傳統(tǒng)的單級式誘導(dǎo)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(dǎo)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
5、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(xué)[14-16]、西安航天動力研究所[17]等單位針對誘導(dǎo)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(dǎo)輪的氣蝕性能[18],本文主要以之前的誘導(dǎo)輪為基礎(chǔ),在前面設(shè)計了一級短葉片誘導(dǎo)輪,使原來的誘導(dǎo)輪變成兩級誘導(dǎo)輪。通過試驗,研究了該兩級誘導(dǎo)輪的揚程特性與氣蝕性能,并且與原誘導(dǎo)輪進行了比較。
1研究對象
原誘導(dǎo)輪的參數(shù)見文獻[18],將原誘導(dǎo)輪作為第二級誘導(dǎo)輪,第一級誘導(dǎo)輪設(shè)計為短葉片等螺距誘導(dǎo)輪,主要參數(shù)見表1,具體設(shè)計方法見參考文獻[12]
6、中的設(shè)計方法。兩級誘導(dǎo)輪實物如圖1所示。
2試驗方法
誘導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)輪的流量、入口壓力和揚程分別用無量綱數(shù)流量系
7、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(dǎo)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(dǎo)輪入口靜壓,Pa;ρ為介質(zhì)密度,kg/m3;p2為誘導(dǎo)輪出口靜壓,Pa。
3.1水力性能試驗結(jié)果兩級誘導(dǎo)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(dǎo)輪單獨試驗獲得的結(jié)果,綠色曲線表示兩級誘導(dǎo)輪的試驗結(jié)果??梢钥闯觯瑑杉壵T導(dǎo)輪的揚程要整體低于原誘導(dǎo)輪,在設(shè)計流量Qd下,兩級誘導(dǎo)輪的揚程比原誘導(dǎo)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(dǎo)輪的揚程比原誘導(dǎo)
8、輪低8.1%。兩級誘導(dǎo)輪中,第一級誘導(dǎo)輪的作用是為了改善第二級誘導(dǎo)輪的入口條件,為避免第一級誘導(dǎo)輪發(fā)生氣蝕,采用了5mm的大葉尖間隙。受第一級誘導(dǎo)輪影響,介質(zhì)在第二級誘導(dǎo)輪入口存在預(yù)旋,于是第二級誘導(dǎo)輪對介質(zhì)做功減少,導(dǎo)致誘導(dǎo)輪揚程比原誘導(dǎo)輪低。
3.2氣蝕性能試驗結(jié)果圖3是兩級誘導(dǎo)輪的氣蝕性能曲線,圖中實線表示兩級誘導(dǎo)輪試驗結(jié)果,虛線表示原誘導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)輪少,具體見表2;而在0.8Qd工況下,兩級誘導(dǎo)輪在氣蝕嚴(yán)重時,揚程下降緩慢,并且不存在階梯點。通
9、過可視化試驗,觀察了原誘導(dǎo)輪和兩級誘導(dǎo)輪的初生氣蝕,見圖4。不同流量下誘導(dǎo)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(dǎo)輪的初生氣蝕數(shù)均比原誘導(dǎo)輪小,即兩級誘導(dǎo)輪對氣蝕產(chǎn)生有一定的抑制作用。兩級誘導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)輪與原誘導(dǎo)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)
10、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(dǎo)輪對同步旋轉(zhuǎn)氣蝕具有抑制作用,這是因為一級誘導(dǎo)輪改變了二級誘導(dǎo)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(dǎo)輪的氣蝕性能,并與原誘導(dǎo)輪進行了對比研究,得到以下結(jié)論:1)兩級誘導(dǎo)輪的一級誘導(dǎo)輪采用大葉尖間隙,增強了回流,改善了二級誘導(dǎo)輪的氣蝕性能,使同流量下初生氣蝕數(shù)比原誘導(dǎo)輪減小,但因為第一級誘導(dǎo)輪在第二級誘導(dǎo)輪入口產(chǎn)生了預(yù)旋,導(dǎo)致第二級誘導(dǎo)輪做功減小,誘導(dǎo)輪揚程比原誘導(dǎo)輪低。2)兩級誘導(dǎo)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(dǎo)輪發(fā)生了頻率為21Hz的徑向不穩(wěn)定現(xiàn)象。