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。

液氧涡轮泵多级液封轮密封空化流动特性分析

在考虑低温空化特性的基础上,提出了适用于液氧涡轮泵多级液封轮低温空化流动的数值计算方法,并采用液氮下的试验数据验证了可行性,最后对多级液封轮内低温空化流动及密封特性进行了数值研究。结果表明:与液氮试验值相比,后腔温度及压力的最大计算偏差分别为8.2%和6.7%,数值计算方法可行;多级液封轮内汽相体积约为液相体积的2~3倍,一级液封轮起主要密封作用,二级液封轮处于低压汽相环境中,部分工况后腔有局部憋压,可适当增加泄出口数量或直径以避免憋压;流场有-4~9K的温度变化,最高和最低温度分别位于一级、二级液封轮处,体现了低温空化的热力学效应;流场中高熵产率区主要分布于一级液封轮中,是能量损失的主要区域,脉动速度熵产率ΔSD'是熵产率的主要来源;多级液封轮在一级液封轮处形成了稳定的汽液交界面,相变半径由工况Ⅰ至Ⅳ递增,经泄出口排出的均为汽相介质,总流量在0.1~0.44kg/s,流量较小,有效地阻止了液氧的泄漏。

基于响应面法的诱导轮多参数水力优化

为提高预压泵的水力性能,通过响应面法对高速预压泵的诱导轮进行了多参数水力优化。选取叶片倾角、入口安放角、出口安放角、分流叶片轴向位置、入口轮毂直径和出口轮毂直径这6个结构参数作为影响因素,基于中心复合有界设计原理设计了78组诱导轮方案,并通过数值仿真获得78组诱导轮的扬程和效率。对计算结果进行极差分析,获得各影响因素对诱导轮扬程和效率的影响。结果表明:出口安放角和出口轮毂直径对诱导轮的扬程影响较大,分流叶片轴向位置和入口轮毂直径对扬程的影响较小;入口安放角对效率的影响最大,出口轮毂直径对效率的影响最小。通过线性回归分别得到扬程系数和效率的响应面模型,以效率大于60%作为约束条件,利用罚函数法对扬程进行寻优,使诱导轮扬程提升15.4%。

两条流体力传递途径下涡轮泵壳体振动特性

液体火箭发动机涡轮泵内非定常流体力主要通过流体—壳体以及流体—转子—支承—壳体两条传递途径激励壳体发生振动,对发动机的安全可靠性造成威胁。为获得流体激励下涡轮泵壳体振动特性,建立了两条流体力传递途径下涡轮泵壳体振动响应定量预测方法,利用发动机热试车结果对预测方法的精度及可靠性进行了验证。在此基础上获得了不同途径下涡轮泵壳体的振动特性。结果表明:所建立的涡轮泵流体激励壳体振动预测方法能够较好地预测壳体振动响应主导频率及幅值,主频幅值误差小于13.85%;壳体的最大振动能量源自于泵内动静干涉非定常流动与壳体结构之间的相互作用;流体—壳体途径是涡轮泵流体激励壳体振动的主要来源,其引起的壳体振动响应幅值相比流体—转子—支承—壳体传递途径大2个量级以上。

涡轮泵典型故障仿真与辨识系统设计

涡轮泵是液体火箭发动机的关键部件,工作环境恶劣,故障率较高。特别是复杂高温、高压燃料冲击的转子系统,极易发生不平衡、不对中和叶片掉块故障。迫切需要探究涡轮泵转子常见的故障机理,阐明故障特征,建立典型故障的辨识系统。通过分析故障力模型,分别建立了考虑转子不平衡、不对中和叶片掉块的动力学模型,确定涡轮泵转子振动特征,明确转子时域、频域信号以及轴心轨迹。进一步搭建基于Matlab GUI平台的涡轮泵典型故障仿真与辨识系统,并对测试数据开展处理。研究表明,不平衡故障时域波形为正弦曲线,1倍频占优,椭圆形轴心轨迹;不对中故障时域波形由2组不同的正弦曲线组成,2倍频占优,“内8”形轴心轨迹;叶片掉块时域波形存在突变现象,1倍频占优,轴心轨迹在掉块发生前稳定,掉块发生后较为杂乱。结果表明,信号频域特征是故障辨识的关键,辅以时域特征,能准确辨识出3种典型故障,该系统能够为涡轮泵转子故障辨识设计提供技术支撑。

面向动环加工工艺的低温端面密封试验研究

某型号发动机作为长征八号运载火箭的二级发动机,其涡轮泵中采用端面密封的结构形式,为了确保端面密封性能,需对其进行低温端面密封试验。其中某端面密封中动环的动压槽加工合格率一直很低,为了适应高密度的发射需求,需对某端面密封的动环加工工艺进行改进。介绍了某动环的结构及其动压槽的不同加工工艺的特点,并对不同加工工艺的动压槽的微观形貌进行测量,采用理论仿真及地面试验相结合的方式,对改进工艺后的端面密封性能进行评价。经试验验证,不同加工工艺的动环对低温密封性能有较大的影响,这为今后动环的设计及加工改进提供了借鉴意义。

超高速涡轮泵等效流体阻尼研究

为提高超高速涡轮泵的设计强度可靠性,对离心泵在零流量工况下的受力进行研究,分析冲击式涡轮的气动原理,得到不同气源压力下涡轮的瞬态驱动力矩;简化零流量工况下离心泵在流体中的多种阻力损失,提出等效流体阻尼,通过试验数据拟合方法得到等效流体阻尼系数,从而得到不同离心泵结构的等效流体阻尼力矩表达式,为超高速涡轮泵设计分析提供参考,具有实际工程意义。

密封膜片加速贮存试验温度研究与分析

密封膜片的贮存寿命要求一般长达十几年,为了在较短的时间内评估密封膜片的贮存寿命,提出了一种基于温度摸底的加速贮存试验方法,该试验方法是一种粘接式试验,包括步进温度试验和恒定温度试验方法。该文重点对密封膜片加速贮存试验温度进行了试验研究和数据分析,通过试验研究和数据分析发现,密封膜片加速贮存试验的最高温度不宜超过玻璃化转变温度,密封膜片加速贮存试验中存在有机玻璃膜片老化破裂或膜片与结构件脱粘两种失效模式,该研究结果为同类产品的加速贮存试验提供了有效的试验方法和温度范围。

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 。