涡轮动力模拟器甩油盘热流模型与流场特性研究

甩油盘作为涡轮动力模拟器(TPS)的重要零件,能有效地促进模拟器内循环系统润滑油的回流,提高轴承的润滑性并降低系统温升,为整机安全可靠运行提供了基础性保障。为了解决TPS内循环系统润滑油的回流问题,对TPS甩油盘及其内部循环流道进行了研究。首先,确定了涡轮动力模拟器轴承发热量及散热系数随转速的变化、甩油盘内部流体控制方程和边界条件;然后,构建了一类TPS甩油盘及其内部循环流道的完整内循环热流模型,并对比了轴承处温度仿真结果与实验结果以确保模型的合理性;最后,数值仿真得到了不同转速下内部循环流道的温度场、压力场和速度场。研究结果表明:转速增加能显著引发系统内最高温度上升,甩油盘作用下的内循环流场温度变化较为平稳,典型工况条件下仿真与实验得到的最高温度相对误差最大为12.3%,表明了热流模型的合理性。研究结果对于指导TPS甩油盘结构设计和提高整机运行安全稳定性具有重要的价值。

低温高速动静结合型机械密封两相流仿真与实验

液体火箭发动机高速涡轮泵轴端动静结合型机械密封端面液膜受低温、高速、高压等极端工况影响极易产生气液两相流现象;诱发两相流的机制及相变对密封的影响规律尚不明确,亟需发展相关的仿真模型并开展实验验证工作。以某高速涡轮泵用动静结合型螺旋槽机械密封为研究对象,基于Laminar层流及Mixture多相流模型,开展了低温、高速等极端工况下密封间隙内流体的空化相变特性研究;以泄漏量、开启力与内部气相体积占比等性能参数为表征指标,分析了该类密封在液氮介质环境工况参数对两相流动特性和相态转变的影响规律。结果表明随着密封间隙增加将导致两相流在有限约束范围内的体积增大,较弱的动压效应导致内部压力产生较小变化进而使得空化相变能力减小;气相体积占比随着液膜温度的增加而增大,随着密封介质压力的增加而减小。开展了低温实验研究,并验证了仿真模型的正确性,理论与实验结果将有助于深入理解低温高速动静结合型机械密封两相流机理,对可重复高速涡轮泵的运行可靠性和稳定性提升具有重要的实践价值。

TPS甩油盘端面槽型优化及创新设计

针对涡轮动力仿真器现有的端面半圆线槽型甩油盘未能实现对内部循环流场的散热和润滑最大效能的问题,开展以降低最大流场温度和减弱涡流效应的槽型优化研究。提出了包括拋物线、渐开线、对数螺旋线等槽型新结构,并探讨了槽深、槽数、螺旋角系数等单一因素对流场特性的影响规律,采用正交试验法对多因素多目标的槽型结构参数进行了优化。结果表明:对数螺旋线槽型为一类更能提高润滑和散热的最优结构,利用正交试验法优化出的一组最优对数螺旋线槽型参数槽深为6 mm、槽数为10、螺旋角系数为0.4,以此设计了面向更高工况条件下的新型甩油盘结构,并仿真分析了其在典型工况下的流场特性。

低温轴承润滑模型及快速起动理论与试验

液体火箭发动机高速涡轮泵的起动是在高压、低温等极端工况下的典型瞬态起动,极易导致其支承轴承的失效。本文构建了低温滚动轴承全液膜润滑和起动摩擦力矩的求解模型,获得了在特定工况下不同滚动体位置的液膜压力分布和最小液膜厚度等;计算得到了起动过程不同载荷和转速下特定低温轴承的起动摩擦力矩,并以此提出了确保轴承瞬态安全起动的最小径向预载方法。开展了液氮工况下的两组快速起动低温滚动轴承的试验测试,获得了高速起动下轴承的动态响应特征,其结果定性地验证了最小径向预载定义方法的合理性;动态响应的快速特征提取也表明了轴承在起动阶段的失效可能为局部碰磨,甚至存在不同轴承组件间严重的金属摩擦或者刮擦。研究结果对于提高低温液体火箭发动机高速涡轮泵的安全服役性能具有重要的理论和试验价值。