学术研究报告：不同叶顶间隙对涡轮泵诱导轮空化不稳定性的实验研究

作者及机构
本研究由Le Xiang（西安航天动力研究所科技委液体火箭发动机重点实验室）、Yonghua Tan（航天推进技术研究院）、Hui Chen（西安航天动力研究所）及Kaifu Xu（西安航天动力研究所）共同完成，发表于《Chinese Journal of Aeronautics》2021年第34卷第9期（168–177页）。

学术背景

研究领域：本研究属于流体机械与空化动力学领域，聚焦于液体火箭发动机（LRE）涡轮泵诱导轮（inducer）的空化不稳定性问题。
研究动机：诱导轮是涡轮泵的关键部件，通过预增压改善主泵的空化性能。然而，即使在设计工况下，空化诱导的流动不稳定性（如旋转空化、空化喘振）仍可能导致系统振动甚至灾难性故障。尽管已有研究提出叶顶间隙（tip clearance）可能影响空化不稳定性，但其具体作用机制仍存在争议。
研究目标：通过实验探究不同叶顶间隙（0.5 mm与1.0 mm）对诱导轮非空化性能、空化性能及空化不稳定性的影响，揭示叶顶间隙与空化特性的关联机制。

实验方法与流程

1. 实验系统设计
- 测试平台：采用闭式循环水洞系统，工作流体为室温脱气水（溶解氧6–8 ppm），通过空气囊调节回路压力，电子加热器与热交换器控制温度。
- 关键设备：
- 高速摄像系统（5000 fps，分辨率1024×800）记录空化结构。
- 动态压力传感器（6个，频率响应50 kHz）布置于诱导轮外壳近叶顶区域（入口、中部、出口），采集压力波动信号。
- 同步器联动高速相机与数据采集系统，确保空化数与视频帧精确对应。

2. 实验流程
- 非空化性能测试：固定转速（5000 r/min），连续降低流量，测量扬程系数（ψ）与流量系数（φ）。
- 空化性能测试：固定流量，逐步降低入口压力，记录临界空化数（σ_cr，定义为扬程下降30%时的空化数）。
- 空化不稳定性分析：结合压力信号互相关分析（cross-correlation）与空化可视化结果，识别三种不稳定性模式：
- 超同步旋转空化（SSRC, Super-Synchronous Rotating Cavitation）
- 同步旋转空化（SRC, Synchronous Rotating Cavitation）
- 空化喘振（CS, Cavitation Surge）

3. 数据处理方法
- 短时傅里叶变换（STFFT）分析压力波动频谱，窗函数为汉宁窗，分段长度4096，重叠率50%。
- 空化长度估算：基于高速视频帧间圆周位移（6°每帧），计算空化尾缘位置变化，拟合空化波动频率。

主要结果

1. 叶顶间隙对性能的影响
- 非空化性能：大间隙（1 mm）导致扬程系数降低，但差异不显著（c/d=1%时损失较小）。
- 空化性能：大间隙显著提高临界空化数（σ_cr），表明空化性能恶化。例如，φ=0.085时，σ_cr从0.04（小间隙）升至0.067（大间隙）。

2. 空化不稳定性特征
- 压力波动幅度：大间隙使3f0（叶片通过频率）振幅降低50%以上，显示稳定化效应。
- 不稳定性模式：
- SSRC：仅在大间隙（1 mm）下出现，频率1.18f0，空化长度波动速度0.18f0（相对坐标系）。
- SRC：两种间隙均出现，但大间隙缩小其发生范围（σ=0.055–0.019→0.069–0.055）。
- CS：仅小间隙（0.5 mm）下出现，频率0.07f0，伴随轴向压力振荡。

3. 空化结构差异
- 小间隙：叶顶泄漏涡空化（TLVC, Tip Leakage Vortex Cavitation）呈螺旋带状，易引发流道局部阻塞。
- 大间隙：TLVC为气泡流，但整体流道阻塞更严重（空化面积虽小，但多通道同时堵塞）。

结论与价值

科学价值：
1. 明确叶顶间隙通过改变泄漏流与空化相互作用，影响不稳定性模式的选择性触发。
2. 首次发现大间隙可完全抑制空化喘振（CS），但可能诱发SSRC，挑战了“增大间隙必改善稳定性”的传统观点。

工程应用：为液体火箭发动机诱导轮设计提供关键依据——需权衡间隙尺寸对性能与稳定性的矛盾影响。

研究亮点

1. 多模态不稳定性识别：结合动态信号与可视化，首次在同一实验中区分SSRC、SRC与CS。
   
2. 创新分析方法：基于高速视频的空化长度动态拟合，量化空化波动频率。
   
3. 争议性发现：大间隙虽抑制SRC和CS，但可能引发SSRC，提示间隙优化需考虑特定几何条件。
   

其他价值：实验系统设计（如同步控制、脱气处理）为后续空化研究提供了可复用的技术范本。