题目：液体火箭发动机诱导轮旋转汽蚀研究

诱导轮是提高离心泵汽蚀性能的主要途径，即使在局部汽蚀条件下也能正常工作，在液体火箭发动机中得到了广泛应用。随着液体火箭发动机技术的发展，对诱导轮性能提出了更高的要求，特别是诱导轮的汽蚀性能。高汽蚀性能诱导轮不仅可以在很大程度上提高涡轮泵的转速，而且能够降低推进剂贮箱的结构质量。但目前来看，在火箭发动机中应用的高性能诱导轮出现故障的频率很高，对涡轮泵危害很大，甚至造成火箭发射失败。究其原因，旋转汽蚀引起的故障最为常见。旋转汽蚀根据气穴在叶片间的迁移频率可以分为超同步旋转汽蚀和次同步旋转汽蚀，在试验中超同步旋转汽蚀比次同步旋转汽蚀更经常被观测到，而它们具有相同的产生机理。使用低温推进剂的液体火箭发动机，在低温条件下热力学效应对管路及诱导轮的汽蚀具有显著影响，但是热力学效应如何影响旋转汽蚀目前还并不清楚。在世界各航天大国的大型液体火箭发动机的研制过程中都遇到过旋转汽蚀现象，不同发动机诱导轮旋转汽蚀问题采用的抑制方法却并不相同，深入分析抑制方法并找出它们的规律具有十分重要的意义。本文针对上述三部分主要内容开展了相关的研究。为了揭示超同步旋转汽蚀和次同步旋转汽蚀之间的差异，完成了Tsujimoto旋转汽蚀计算模型的理论求解，采用全三维和二维平面叶栅方法对诱导轮进行了非定常汽蚀计算，分析了旋转汽蚀发生时的叶片表面气穴长度的变化规律。理论分析和数值计算结果表明，两种类型旋转汽蚀发生时，质量流量增益系数M都会发生周期性地变化。当超同步旋转汽蚀发生时，M>0；而当次同步旋转汽蚀发生时，M值的变化范围更广。由于在设计工况点附近，通常有M>0，因此在多数情况下很难观测到次同步旋转汽蚀。数值计算结果还表明汽蚀和叶片入口前方的涡强度有密切联系，当汽蚀程度增加时，涡强度也会增加，并且涡强度变化与叶片表面气穴长度变化具有相同的频率。低温推进剂的热力学效应能够抑制气穴变化，影响M值的变化。采用二维平面叶栅方法，分别计算了T=18K、20K以及22K条件下液氢诱导轮的旋转汽蚀现象。计算结果表明：在入口压力条件一定的情况下，液氢温度越低，诱导轮汽蚀性能越好；越偏离设计工况流量系数，诱导轮的汽蚀性能越差；低温液体温度变化对超同步旋转汽蚀没有太大的影响，而对次同步旋转汽蚀气穴长度的变化影响显著。综合比较，虽然热力学效应能够抑制气穴长度的增长，但是却不会影响旋转汽蚀的气穴在叶片间的迁移频率。旋转汽蚀直观表现形式就是气穴长度在叶片间以某一频率变化，而气穴长度的本质就是气泡生长过程，采用VOF方法研究近壁面附近处单气泡的运动规律，理解了汽蚀现象，有助于进一步认识旋转汽蚀。分别计算了LE-7发动机液氧泵诱导轮、某煤油发动机诱导轮以及Vulcain发动机液氧泵诱导轮内部的非定常汽蚀现象，并进行了相应的改进计算。结果表明，壳体开槽能够加大叶尖入口回流，增加叶片吸力面低压区的压力，提高LE-7发动机液氧泵诱导轮汽蚀性能；减小环形入口壳体面积，能够改善诱导轮入口流动状态，提高煤油泵诱导轮汽蚀性能；将Vulcain发动机液氧泵诱导轮叶片数从四个减小到三个，能够降低水力损失，减小入口压降，使诱导轮汽蚀性能提高。但是，提高汽蚀性能的措施并不一定能够抑制旋转汽蚀，而减小质量流量增益系数的的措施能够抑制旋转汽蚀。最后，设计了针对旋转汽蚀的试验系统方案，并介绍了以捕获旋转汽蚀为目标的相应测量方法和测量设备，为以后的相关试验研究提供条件保障。