三叶诱导轮空化不稳定性研究学术报告

作者及机构
本研究的作者包括Xin Li、Jiawen Li、Jue Wang和Guobiao Cai，均来自中国北京航空航天大学（Beihang University）。研究论文发表于《Journal of Propulsion and Power》2015年7-8月刊（Vol. 31, No. 4），DOI编号为10.²⁵¹⁴⁄₁.B35571。

学术背景
在液体火箭发动机的涡轮泵中，诱导轮（inducer）是提升空化性能的关键部件。为降低推进剂贮箱压力与重量，诱导轮通常需在空化工况下运行。然而，空化不稳定性（如旋转空化、空化喘振等）可能引发轴系振动、噪声及性能下降，甚至导致任务失败。尽管已有研究通过改进诱导轮几何结构（如叶片前缘切割、J型槽等）抑制不稳定性，但不同几何参数的诱导轮仍需针对性实验验证。本研究聚焦叶尖间隙（tip clearance）对三叶诱导轮空化不稳定性的影响，旨在揭示其作用机制，并为工程优化提供依据。

研究流程
1. 实验装置与设计
- 测试平台：在北京航空航天大学沙河校区搭建的诱导轮空化性能实验装置中，以水为工质，通过压缩机与真空泵调节入口压力，采用变频电机驱动诱导轮（最高转速6000 rpm），并利用电动调节阀控制流量。
- 测量系统：
- 两台压力传感器（CYB-20S型）分别安装于诱导轮入口与出口，测量稳态压力。
- 另两台同型号传感器以90°角间隔布置于入口壁面，通过互相关分析（cross-correlation）捕捉空化不稳定性信号（采样频率1600 Hz，时长3秒）。
- 下游电磁流量计（误差<0.5%）监测流量。
- 诱导轮参数：叶片数3，叶尖直径78 mm，叶尖间隙设置0.5 mm与1 mm两组，转速固定为4000 rpm。

1. 实验方法
   
   • 非空化性能测试：通过压缩机加压回路，测量不同流量系数（φ）下的静压头系数（ψ），分析叶尖间隙对效率的影响。
     
   • 空化性能测试：逐步降低入口压力，记录空化数（σ）与压头系数的关系，观察空化溃灭（breakdown）临界点。
     
   • 不稳定性分析：采用Welch法（Hamming窗，1024点分段，50%重叠）对压力信号进行功率谱分析，结合相干函数与相位差判定同步旋转空化（synchronous rotating cavitation, SRC）的模态（cell number）。
     

主要结果
1. 叶尖间隙对性能的影响
- 高叶尖间隙（1 mm）导致泄漏流增加，静压头系数显著低于低间隙（0.5 mm）（图5）。
- 空化溃灭临界空化数在高流量系数（φ=0.077）时更低，且高叶尖间隙下的临界值略高（图6-7），表明低间隙工况的空化性能更优。

1. 同步旋转空化（SRC）特性

   • 低间隙条件：SRC（频率为fn）在空化溃灭前出现，其振幅随流量系数增大而增强（表2）。例如，φ=0.077时，SRC在σ=0.136~0.076范围内持续，最大无量纲振幅Δa达0.037（图9）。
     
   • 高间隙条件：SRC被显著抑制，尤其在φ=0.077时几乎完全消失（图12）。研究发现，高间隙下回流涡空化（backflow vortex cavitation）向上游延伸（图8），可能与SRC抑制相关。
     

2. 流量系数的作用

   • 高流量系数下SRC起始空化数更高（如φ=0.077时σ=0.136），且振幅更大（表2），与文献[15]一致，但与文献[10]结论相悖，可能源于低流量下更强的回流涡干扰。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 明确了叶尖间隙通过改变回流结构抑制SRC的机制，填补了多叶诱导轮空化不稳定性调控的理论空白。
- 验证了流量系数与SRC强度的正相关性，为后续建模提供了实验依据。

1. 工程应用：
   
   • 提出通过优化叶尖间隙（如增至1 mm）抑制SRC的实用方案，尤其适用于高流量工况的火箭泵设计。
     
   • 透明有机玻璃壳体与高频压力传感器的联合应用，为同类研究提供了可借鉴的实验方法。
     

研究亮点
1. 创新性发现：首次报道三叶诱导轮中SRC对叶尖间隙的敏感性，揭示了高间隙下回流涡空化的抑制作用。
2. 方法创新：采用双传感器相位差分析精准识别SRC模态，提升了不稳定性的诊断精度。
3. 工程指导性：明确了叶尖间隙的“双刃剑”效应——虽降低效率但增强稳定性，为权衡设计提供量化依据。

其他价值
研究还发现，空化溃灭时叶片通过频率（3fn）信号消失（图9），间接证实了空化导致叶片两侧压差趋零的现象，为空化动力学建模提供了新线索。