诱导轮对高速液氧泵空化流场影响研究

高抗空化诱导轮可以改善液氧泵的空化特性,提高大推力火箭的可靠性。基于计算流体力学方法,建立了高速液氧泵的流动仿真模型,通过三组试验工况验证了模型准确性,研究了诱导轮叶片数对液氧泵性能和空化特性的影响。结果表明:使用诱导轮可以减小离心轮空化面积,代偿离心轮的汽蚀,提高液氧泵扬程;在入口流量和出口压力不变的条件下,增加诱导轮叶片数,液氧泵的效率增加,扬程降低,离心轮空化面积增加,诱导轮代偿离心轮汽蚀能力削弱。综合考虑液氧泵性能参数和空化特性,三叶片诱导轮能够满足大推力液体火箭的高可靠性要求。

重复使用火箭涡轮泵轴承故障特征提取方法优化

涡轮泵轴承是可重复使用火箭的关键,因此能够有效提取出轴承故障特征频率从而展开故障诊断十分重要。将奇异值分解(SVD)和包络谱解调法相结合,对火箭涡轮泵轴承展开故障特征提取。对轴承内环、外环及滚动体故障数据进行处理和分析,结果表明,针对信号中含有大量噪声的数据,相比传统的包络谱解调法,改进方法的故障特征提取效果明显提升。通过该方法提取出的3种故障低频特征频率的相对幅值相比于传统包络谱解调均有提升。同时,可以有效降低高频噪声的干扰,尤其在高频区依然可以看到比较明显的特征频率,而传统包络谱解调法的高频区基本被噪声覆盖。通过计算得出信号的信噪比均有60 dB以上的提升。

可重复使用液体火箭发动机涡轮泵轴承设计及试验

可重复使用液体火箭发动机研制需求的出现,对涡轮泵结构可靠性设计提出了更高的要求。针对涡轮泵中轴承在低温、高速、重载、重复启停等恶劣工况下容易失效的问题,以某型可重复使用液氧/煤油火箭发动机涡轮泵为研究对象,从结构、材料、保持架等方面对涡轮泵轴承进行了设计和动力学计算分析。根据涡轮泵工作工况,设计了低温和常温轴承运转试验系统,进行了轴承重复启停运转试验,试验过程中对轴承温度和运转转速进行监测以便判断轴承状态,试验后检查轴承钢球和滚道均正常,并对轴承设计参数进行复测发现无较大偏差。试验结果表明,设计的涡轮泵轴承在设计转速下可以完成预定的重复启停运转,同时试后同批次轴承搭载发动机试车考核成功重复点火十余次。

重复使用火箭发动机涡轮泵载荷谱编制方法

重复使用火箭一子级发动机通过多次点火将火箭送入预定轨道后,返回并定点回收,多次启动-关机会产生损伤累积及疲劳问题,掌握液体发动机涡轮泵真实载荷谱,是可重复使用火箭发动机研制中一项重要工作。针对重复使用火箭一子级发动机涡轮泵提出了载荷谱编制方法。根据回收任务方案,确定任务全周期飞行剖面,建立火箭动力学方程,计算一子级各飞行剖面发动机推力调节范围及质量流量。基于推进剂组分、质量流量等参数推算涡轮泵转速及功率变化,编制转速谱和功率谱。通过对SpaceX公司猎鹰9一子级陆地回收任务CRS-11分析,编制该任务全周期载荷谱,得到一子级发动机推力谱、涡轮泵转速谱和功率谱,通过真实推力数据验证载荷谱编制方法。研究结果可为重复使用发动机研制提供支撑。

基于注意力机制的火箭涡轮泵支承刚度辨识

作为重要的动力学参数,刚度辨识及预测对于涡轮泵动力特性具有关键意义,为此提出一种融合注意力机制和双向长短期记忆(Bi⁃directional long short⁃term memory,BiLSTM)网络的预测模型。将动力学响应融合输入,使用LSTM神经网络有效挖掘时序相关的历史特征。再将两层LSTM网络反向叠加组成BiLSTM模型,适应动力学信息复杂、序列冗长特点,深入挖掘参数间的非线性特征。随后引入Attention层,利用注意力机制获取特征分配权重,增强关键信息。最后通过某型涡轮泵的动力学数据训练辨识模型。结果表明,对于涡轮泵刚度特性,Attention⁃BiLSTM模型在序列数据处理方面具有显著优势,预测平均绝对百分比误差(Mean absolute percentage error,MAPE)可达2.1945%。而单一结构的RNN、LSTM和BiLSTM模型的预测MAPE分别为10.4977%、5.4973%和2.7986%。可见该方法有效避免了复杂的动力学反问题求解,实现了非线性参数的动态识别。

壳体开槽对诱导轮空化性能影响的数值分析

为了提高诱导轮的空化性能,建立了壳体开槽诱导轮模型,采用数值计算方法对比了基准结构诱导轮和壳体开槽诱导轮的空化流动特性,通过分析不同空化数下叶片吸力面压力分布、诱导轮内部空化区的分布状态及扬程系数的变化,揭示了壳体开槽提高诱导轮空化性能的详细机理。结果表明:壳体开槽改变了叶尖泄漏流的发展方向,在叶尖附近形成大尺度涡流,减小了压力面和吸力面之间的压力梯度,改善了诱导轮内部的压力分布。壳体开槽诱导轮的初生空化数小于基准结构诱导轮,对空化的产生有抑制作用;随着空化数从0.37减小到0.086,空化区域不断扩大,扬程系数几乎保持不变。相同空化数下,壳体开槽诱导轮的扬程系数略低于基准结构,但空化区明显较小,对空化的发展有一定的抑制作用。随着空化数的进一步减小,当空化数达到某个值附近,扬程系数先略微上升后再陡降直至发生空化断裂,壳体开槽诱导轮的临界空化数更小;从空化初生至空化断裂,壳体开槽诱导轮较基准结构诱导轮空化性能均有所提升。

液体火箭发动机涡轮泵健康监控系统

为了提高液体火箭发动机涡轮泵的安全性,降低其故障带来的破坏性,设计了某型液体火箭发动机涡轮泵健康监控系统(TP HMS),工程实现了TP HMS的测试硬件子系统、实时故障检测子系统、试车后数据分析子系统和实时数据库支持子系统等,讨论和分析了TP HMS的功能和执行流程,然后利用历史试车数据与转子试验平台数据对TP HMS中的多特征参量自适应阈值综合决策算法(MATA)进行了离线和实时在线验证;利用自适应时频谱对测试数据作进一步的分析。结果表明,MATA没有发生误检测情况,并具有实时故障检测的能力;自适应时频谱能有效抑制时频交叉项的干扰,准确给出故障信号的时间和频率信息。因此,TP HMS适合于液体火箭发动机涡轮泵健康状态监控。

带冠整体式涡轮盘的CAD/CAM

大推力液体火箭发动机逐渐采用带冠整体涡轮叶盘替代不带冠叶盘,以提高推重比、可靠性。为了解决带冠整体涡轮盘加工存在的技术难点,开发了叶盘加工专用CAD CAM软件模块———TBCam,并以此作为辅助工具,对某液氢液氧发动机氧泵转子一级叶盘进行了加工实验。实验证明,TBCam解决了叶盘电火花加工中电极设计、电极加工和叶盘加工轨迹搜索等技术疑难,显著缩短了加工准备时间,实现了高精度加工。

涡轮泵实时故障检测的多特征参量自适应阈值综合决策算法

为了实时监控液体火箭发动机涡轮泵的状态,提高安全性,降低故障带来的破坏程度,提出了一种多特征参量自适应阈值综合决策算法(MATA)。研究了该算法的特征参量选取、阈值区间的确定、阈值的自适应计算(包括特征参量均值与标准方差的自适应计算)、故障综合决策逻辑、故障数据对阈值贡献的剔除等方法,利用某型火箭发动机地面试车涡轮泵振动测量数据和某型转子试验平台实时测量数据对该算法进行离线和实时在线故障检测试验验证,结果表明MATA没有发生误检测情况,具有实时故障检测的能力。因此,MATA适合于液体火箭发动机涡轮泵的实时故障检测。

涡轮泵实时故障检测短数据均值自适应阈值算法

为了实时监控液体火箭发动机涡轮泵的状态,提高其安全性,降低其故障带来的破坏程度,提出了短数据均值自适应阈值算法(SDM-ATA),建立了实时故障检测的统计学模型、研究了阈值区间均值与方差的自适应计算及其带宽系数的自适应训练、故障综合决策逻辑,以及故障数据对阈值贡献的踢除等方法,并利用某型火箭发动机地面试车涡轮泵振动测量数据和某型转子试验平台实时测量数据对该算法进行离线和实时在线故障检测试验验证。结果表明,SDM-ATA没有发生误检测情况,并具有实时故障检测的能力。

长中短叶片离心叶轮内部流动的数值模拟

采用Navier-Stokes方程和Spalart-A llm aras湍流模型对8叶片和24叶片的高速复合离心叶轮内部的流动进行了数值模拟,对小流量和设计点两种工况进行了计算和对比分析,得到了叶轮内的速度和压力分布;发现具有4长、4中、16短的24叶片的复合叶轮内部及出口的速度分布比4长4中的8叶片的叶轮更均匀;而且中、短叶片对液流有加功作用,可以增加叶轮出口吸力面的压力,有效阻止液流的脱流。通过实验和数值模拟,验证了叶轮流道里的回流是影响低比转速离心泵效率和小流量不稳定的一个重要因素;采用具有中、长、短的闭式复合叶轮离心泵适合用来输送小流量、高扬程的液态介质。

液体火箭发动机高速涡轮泵的振动故障检测

讨论了涡轮泵故障的几个主要原因，据此提取涡轮泵振动数据的特征，用BP神经网络的方法进行故障检测。BP神经网络的训练样本集由一个具有无监督聚类功能的神经网络从原始的特征向量集获取。

基于神经网络的涡轮泵多故障诊断

针对液体火箭发动机的涡轮泵系统中 ,常出现多故障同时发生的现象 ,分析了涡轮泵常见故障的特征表现 ,建立了涡轮泵系统的标准故障模式。在此基础上 ,提出了采用建立并行BP神经网络进行多故障诊断分类的方法。结果表明 ,并行BP神经网络结构简单 ,学习诊断速度快 ,对单一故障的诊断分类优于基本BP网络 。

涡轮泵振动参数与统计特征量的线性相关性分析

为了剔除冗余的振动参数和统计特征量,提高涡轮泵故障检测的实时能力,建立了线性相关性假设检验模型。利用该假设检验模型和某型液体火箭发动机的历史试车数据,检验了7路涡轮泵振动参数以及13种常用统计特征量的线性相关性,并分析了统计特征量对涡轮泵故障的敏感性和稳定性,以及涡轮泵振动数据的正态性。数据统计分析表明,大部分涡轮泵振动参数以及统计特征量显著线性相关,幅值统计特征量的故障敏感性弱,但稳定性强,而无量纲统计特征量的情况恰好相反,并且正常涡轮泵振动数据服从正态分布,而异常涡轮泵振动数据不再服从正态分布。据此,为涡轮泵故障检测选择了线性相关性弱,故障特征反映能力强的3路振动参数和3种统计特征量。

涡轮泵环形密封激振特性的数值计算

液体火箭发动机涡轮泵转子／流体密封系统稳定性研究的关键是密封激振流场和转子动力系数的计算。应用计算流体力学(CFD)方法对转动坐标系下的三维环形密封流场进行了准稳态数值模拟,在此基础上进行了转子动力系数的计算。计算结果和试验数据以及bulk-flow理论计算进行了比较。证明了带旋流修正k-ε湍流模型适用于密封流体激振的研究。

高速平板诱导轮的结构设计与分析

诱导轮是液体火箭发动机(LPRE)中重要的组成部分,它能有效地提高主泵的抽吸性能。首先介绍了LPRE诱导轮的几种典型结构型式,然后阐述了LPRE诱导轮的基本概念和设计原理,进一步推荐和分析了高速平板诱导轮几个重要结构参数的设计准则,最后按照设计方法设计了用于某液体火箭发动机的一台高速诱导轮,CFD计算表明它具有较好的扬程性能和抗汽蚀特性。

液体火箭发动机涡轮泵用机械密封温度场及热载变形研究

基于ANSYS数值计算软件,建立了液体火箭发动机涡轮泵用机械密封的二维稳态传热模型,依靠经验公式确定了模型的对流换热系数。计算了密封环的温度场和热载变形,分析了密封端面比压、回流流量以及不同材质对密封温度场的影响规律。结果表明:密封端面最高温度发生在靠近密封环内径处,且密封端面比压越大密封环温度梯度越大;密封环热载变形呈收敛间隙,最大变形发生在动环端面的外径处,其值约为2.2μm;密封环端面最高温度随回流流量增加而减小,当回流流量从0.1~0.6 kg/s变化时,密封环端面最高温度可降低18%(从100℃降至82℃);当回流流量增大到0.3 kg/s时,继续提高对密封环端面温升的控制不再显著;采用高导热系数的摩擦副材料能够显著降低端面温升和温度梯度,提高密封工作可靠性。

涡轮泵转子的临界转速研究(Ⅱ)──非均匀支承转子临界转速的传递矩阵法

当支承的组合刚性沿圆周不均匀时，可将其刚性分解到两个互相垂直的主平面中，在主平面中具有最大和最小刚性。同时，把转子振动时的受力和位移分解到主平面中，用八阶矩阵分别建立轴、支承、盘的传递矩阵。然后根据具体的转子布局方案可导出临界转速和振幅计算方程。研究表明，非均匀支承转子与均匀支承转子相比，频率谱有质量差别，前者可能出现的临界转速数增加一倍，在刚性小的方向首先发生振动，转子振动的轨迹为椭圆。

涡轮泵实时故障检测的改进自适应相关阈值算法

为了实时有效地检测液体火箭发动机涡轮泵的故障,避免分别计算各振动参数相同统计特征量的阈值和确定它们的故障检测逻辑,提出了改进自适应相关阈值算法(IACTA)。讨论了自适应相关算法(ACA)的原理,选用了线性相关性弱、能较好地反映涡轮泵故障特征的3路振动参数和3种统计特征量,并研究了这些统计特征量马氏距离平方阈值的自适应计算(自适应地计算均值和标准方差)和改进(双侧阈值改进为单侧阈值)方法,并剔除了故障数据对阈值的影响。在0.025的误检率下,通过8次转子碰摩试验的实时数据验证了IACTA故障检测的实时性;通过24次某型液体火箭发动机历史试车数据和196次转子碰摩数据验证了IACTA故障检测的有效性。结果表明,IACTA的平均故障检测延迟为226.625m s,故障检测率为96.0%。

涡轮泵机械密封泄漏机理分析及试验验证

针对某液体火箭发动机涡轮泵试车过程中机械密封故障进行了分析,研究了机械密封泄漏机理。通过N2O4介质运转试验,从石墨材料物理性能和组织结构两个方面分析了机械密封泄漏原因,试验证明石墨材料的导热性、动环材料的导热性对密封性能起着关键作用。