提高液體火箭發動機誘導輪汽蝕性能的研究

唐 飛，李家文，李 永，周 成

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.北京航空航天大學宇航學院，北京100191）

0 引言

高速誘導輪是現代液體火箭發動機中提高渦輪泵性能的關鍵部件，它的基本設計任務是保證抽吸性能，以避免主泵葉輪發生汽蝕。但是，誘導輪內部常常會出現各種汽蝕現象，導致壓力和流量急劇下降，影響發動機的正常工作。同時，由汽蝕所誘發的流場脈動和轉子振動會嚴重影響液體火箭發動機的性能、穩定性和壽命。

美國P&W公司為NASA研發航天飛機主發動機（SSME）的改進型高壓液氧渦輪泵，在研制初期的渦輪泵組合件熱試過程中，遇到了較嚴重的超同步振動，不僅磨損了誘導輪葉片和密封裝置，而且導致試驗件提前關機。故障診斷表明，汽蝕是激發超同步響應的主要因素[1]。

1999 年日本H-Ⅱ火箭第八次發射失敗，通過飛行數據與計算結果對比、發動機殘骸微觀分析和地面試驗等研究認為：LE-7發動機液氧渦輪泵誘導輪出現汽蝕，其誘發的脈動與泵前的導流葉片固有頻率發生共振使得葉片出現斷裂，并使發動機停機最終導致發射失敗[2]。

歐洲阿里安Ⅴ的火神發動機液氫渦輪泵誘導輪中也發生了汽蝕，使轉子承受較大的不平衡徑向載荷，導致軸承磨損過大。在歐洲空間局的支持下，法國、意大利和德國等合作圍繞旋轉汽蝕引起的轉子動力學問題開展了大量實驗和CFD研究，并將其作為新一代上面級Vinci發動機渦輪泵的重要考核指標[3]。

誘導輪應用廣泛、設計方法比較成熟，但針對其汽蝕研究則相對較少?！?br>