核热推进系统分析程序模型与计算方法初步研究

核热推进(NTP)系统具有高比冲、大推力和工作时间长等特点,在深空探测和轨道机动等方面具有明显的优势。系统性能分析是NTP系统研发与设计的重要内容。结合对国际历史上已开发程序的分析以及现阶段的研发需求,将系统性能分析划分为稳态设计点性能分析与优化、稳态非设计点性能分析以及瞬态性能分析3个主要环节。在清华大学核能与新能源技术研究院自主开发的核动力发动机系统分析程序PANES基础上,提出了基于“流网-热网”的系统分析程序框架,并建立了反应堆中子动力学与涡轮泵动态特性等数学模型,提出了对应的计算分析方法,拓展了原程序的功能。该工作为NTP系统设计方法的进一步研究和应用提供了重要基础。

轴向预紧作用下的组合转子轴系模态特性研究

组合转子轴系结构是空天动力装备中发动机转子系统的主要结构,由于轴系中各部件接触面的存在使得转子系统动力学特性难以准确掌握,当涉及转子工作转速裕度时会产生一定的设计风险。针对组合转子轴系单主轴多部件轴向预紧结构特点,考虑转子不同接触面之间非线性连接参数,提出一种综合利用薄层单元和零长单元建模的两步模型修正方法,采用基于响应面优化的静态结构非线性分析以及基于随机统计学模型的粗糙表面接触分析进行薄层单元材料参数以及零长单元接触刚度系数识别,建立组合转子轴系动力学模型。根据某型发动机氢涡轮泵转子结构特点设计制造转子试件,对其自由模态进行试验研究,得到了不同螺纹预紧状态以及轴向预紧作用对组合转子轴系前两阶模态特性的影响。对比试验数据可知所提模型优化方法可以很好地反映出不同轴向预紧作用下组合转子轴系前两阶模态频率的变化趋势,在转子模态参数线性变化范围内计算误差小于1%,验证了该方法的正确性和有效性,为组合转子轴系精细化建模提供了参考依据。

The Effect of Blade Outlet Angle on Performance and Internal Flow Condition of Mini Turbo-Pump

Mini turbo-pumps having a diameter smaller than 100mm are employed in many fields;automobile radiator pump,ventricular assist pump,cooling pump for electric devices,washing machine pump and so on.Further,the needs for mini turbo-pumps would become larger with the increase of the application of it for electrical machines.It is desirable that the mini turbo-pump design is as simple as possible due to restriction to make precise manufactures.But the design method for the mini turbo-pump is not established because the internal flow condition for these small-sized fluid machineries is not clarified and conventional theory is not conductive for small-sized pumps.Three types of rotors with different outlet angles are prepared for an experiment and a numerical analysis.The performance tests are conducted with these rotors in order to investigate the effect of the blade outlet angle on performance and internal flow condition of mini turbo-pumps.It is clarified from the experimental results that head of the mini turbo-pump increases and maximum efficiency flow rate shifts to larger flow rate according to the increase of the blade outlet angle,however the maximum efficiency decreases with the increase of it.In the present paper,the performance of the mini turbo-pump is shown and the internal flow conditions are clarified with the results of the experiment and the numerical flow analysis.Furthermore,the effects of the blade outlet angle on the performance are investigated and high performance design with simple structure for the mini turbo-pump would be considered.

Turbo-pump with Isolated Two Stage Impellers for Future Rocket Engine (Trial to Drive Impellers Independently)

为了在 impellers 压制成穴并且做涡轮泵，更长生活， inducer 与主要 impeller 被分开，两 impellers 独立地被驾驶。在 impellers 附近的泵和流动条件的表演试验性地被调查，下列结果被获得。(1 ) 主要 impeller 贡献在 inducer 和主要 impeller 之间的流动相互作用。(2 ) 两 impellers 的旋转速度能独立地被控制以便同时总体上压制成穴不仅 impeller，而且在 inducer。

工况对泵入型螺旋槽动压密封液膜汽化相变和密封性能的影响

液氧动压密封性能对液氧涡轮泵的工作效率及稳定性有很大的影响,为了研究不同工况下机械密封液膜的相变和密封性能,建立端面液膜汽化相变数值计算模型,分析液膜汽化的相变程度、相变区域分布和液膜汽化相变对泵开启力和泄漏量的影响。结果表明:工况参数对液膜的汽化相变有着一定程度的影响,随着动环转速、介质压力的增加,相变被抑制且最大相变体积分数发生在压力出口处且范围逐渐减小,最大相变压力逐渐增加,开启力和泄漏量不断增大;介质温度升高会促进相变的发生,最大相变体积分数发生在压力出口处且范围逐渐增加,最大相变压力不断减小,开启力和泄漏量不断减小。液膜的汽化相变会对密封性能产生直接的影响,合理选择密封工况,可有效利用和控制相变,提高密封性能。

超高速涡轮泵机械密封热弹流润滑特性研究

以超高速涡轮泵用机械密封为研究对象,针对超高速工况下密封界面多场耦合变形行为和热弹流润滑特性不明等问题,建立密封动静环和润滑液膜的耦合数学模型,研究不同转速和密封压力下的密封界面润滑特性和端面变形行为,分析相应的密封性能变化规律。结果表明:超高速工况下密封端面产生沿泄漏方向收敛的液膜间隙,密封动环的高温热变形是主因;随密封压力的增大,液膜间隙的收敛角减小,最大膜厚和泄漏率增大,端面温升明显减小;随着转速的增大,液膜间隙的收敛角、端面温升和泄漏率增大,摩擦扭矩减小。建立的流固热力耦合模型可为超高速涡轮泵用机械密封端面的优化设计提供理论指导。

涡轮泵转子轴向压紧状态检测和控制方法研究

针对某涡轮泵转子超高速运行过程中转轴振动位移幅值和相位全程波动、振动不稳定的问题,结合转子的结构特点及运行工况,开展故障诊断研究,定位该故障为串式压紧涡轮泵转子热套装配工艺导致的轴向压紧不足、转动件松动。为验证故障模式,同时实现轴向压紧状态的可检可测,设计加工了能模拟涡轮盘轴向尺寸的工艺压紧套筒,通过测量装配过程中涡轮端轴套轴向应变,明确了轴向压紧状态满足要求时的轴套轴向应变在-170~-207με之间。在初始热套安装温度为150℃时,实测轴套轴向应变在-6~+4με之间,表明涡轮盘与轴套轴向处于边界压紧状态,在高速离心力作用下,该轴套径向膨胀、轴向缩短,必然发生松动。在此基础上,提高热套装配温度至200℃,实测获得轴套轴向应变在-158~-172με之间,表明轴向完全压紧,并通过转速在0~50000rpm之间的重新装配运行考核试验,消除了轴套松动造成的转子振动位移波动,实现了该涡轮泵转子的稳定、可靠运行。

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。

保持架过梁断裂前后球轴承的动力学行为分析

火箭涡轮泵中的球轴承保持架过梁断裂情况时有发生,严重时甚至影响涡轮泵系统的正常运行。为了及时有效地预测球轴承保持架断裂故障,考虑断裂保持架和滚珠及引导外圈之间的碰磨与接触作用,建立了断裂保持架的运动微分方程并通过显式有限元法进行求解;对某涡轮泵球轴承在过梁断裂前后的动力学行为进行了计算和对比,研究了保持架过梁断裂对瞬时作用力、打滑率、磨损、最大PV值的影响。结果表明:保持架过梁断裂显著增大了保持架与外圈之间的作用力,瞬时作用力最大值增大了29.81;保持架的打滑率、保持架导向面的磨损及最大PV值均大幅增大;保持架过梁断裂位置处的滚珠之间存在大幅值的瞬时碰撞力,滚珠存在明显打滑,打滑率达14.06。

高速涡轮泵机械密封端面温度变化规律研究

以高速涡轮泵用机械密封为研究对象,以15~#液压油为试验介质,考虑循环冷却量、转速、介质压力以及不同摩擦副配对等因素,采用自行搭建的高速密封试验台开展端面温度变化规律的研究.结果表明:对于高速机械密封,上述因素均对端面温度产生影响,其中转速对端面温度的影响基本成线性关系,循环冷却量对端面温度的影响存在一个阈值,建议实际设计时取阈值的120%,介质压力对端面温度产生影响较大,但是影响程度不如转速;以尽可能获得低的端面温度值来判断,用作静环时浸渍树脂石墨比普通石墨合适,用作动环时碳化硅比钼合金合适.

基于网格支持矢量机的涡轮泵多故障诊断

支持矢量机是一种基于结构风险最小化原则的机器学习方法,对小样本决策具有较好的学习推广性。由于常规支持矢量机算法是从二类分类问题推导得出的,在解决故障诊断这种典型的多类分类问题时存在困难,为此提出一种网络支持矢量机多类分类算法,用每个类别和其他两个至四个类别构造二类支持矢量机分类器。这些二类支持矢量机分类器组合而成的网格式结构多类分类器,具有容易扩展、重复训练样本少、速度快和识别正确率高的优点。将网格式结构多类分类器应用于涡轮泵试验台多故障诊断获得了令人满意的效果。

基于传递矩阵法的涡轮泵转子系统瞬态动力学特性预测和分析

提出一种快速预测涡轮泵转子瞬态动力学特性的方法。在该方法中广义的涡轮泵转子系统转轴被盘和轴承等特征部件分成不同的轴段,每一轴段两端的状态向量通过该轴段的传递矩阵联系起来,经过轴承和特征盘后状态向量的变化以增量的形式给出,结合边界条件以及各特征盘/轴承之间的位移关系,可建立整个转子系统的瞬态运动方程。为了验证该方法的有效性,结合涡轮泵的实际工况,分别模拟不同启动过程(如匀角加速度、指数角加速度、分段升速)中转子的瞬态动力学特性。文中的研究工作可为涡轮泵转子系统动力学设计及结构修改提供一定的参考。

CFD优化火箭涡轮泵间隙密封静动态特性计算模型

Bulk flow模型被广泛应用于计算火箭涡轮泵间隙密封泄漏量和动力学系数,然而半经验性的边界条件和阻力系数会降低模型的准确性。CFD数值模拟近年来被应用于间隙密封的研究,表现出优越的性能,然而瞬态计算动力学系数效率较低。结合两种方法的优势,利用CFD稳态流场分布,计算密封间隙边界条件,同时基于泄漏量相等优化目标,确定Bulk flow模型中阻力系数,并采用有限单元法数值求解优化后Bulk flow方程组。与文献中数值结果对比,数值结果与试验结果更加吻合,主刚度和交叉刚度最大偏差率为10.15%和7.54%。

考虑流体作用的转子动力学有限元模型

在不考虑流体作用的转子动力学有限元模型的基础之上,利用流固耦合分析导出的薄圆盘和圆柱体单独在流体中分别作平移和转角振动时受到的流体阻力公式,建立组成转子的圆盘和轴段在流体中的单元运动方程,把作用在转子上的流体力整合到系统整体运动方程中,得到了考虑流体作用的转子动力学有限元模型,即FRDFEM模型。然后用FORTRAN语言编制了考虑流固耦合的大型复杂转子系统动力学分析的有限元计算机程序———RSDA。最后用该计算机程序对某实际涡轮泵转子系统进行了动力学分析。

涡轮分子泵抽气性能计算的误差分析

采用数据回归方法,建立了不同叶片倾角、节弦比条件下单级涡轮叶片正反向传输几率与速度比的数学关系式,通过计算机编程可直接获得单级涡轮叶片的正反向传输几率,进而求出涡轮叶片的抽气性能,提高了计算效率。分别采用涡轮叶片几何中值参数计算方法、沿涡轮叶片齿长逐段积分方法,对单级涡轮叶片和涡轮分子泵的抽气性能进行了计算,并与实验结果进行了对比。发现:采用涡轮叶片几何中值参数计算涡轮叶片抽气性能存在误差,对涡轮分子泵抽气性能的计算值偏高,其计算误差远大于分段积分法的计算误差,后者更适用于对分子泵抽气性能的设计计算。

轴承支承总刚度对液体火箭发动机涡轮泵转子系统稳定性影响研究

针对低温液体火箭发动机涡轮泵转子非线性系统开展了轴承支承总刚度对稳定性的影响研究。建立了涡轮泵转子非线性系统的动力学模型,分别研究了没有安装偏心和存在安装偏心条件下泵端和涡轮端轴承支承总刚度变化对转子系统稳定性的影响,给出了失稳转速随支承刚度的变化规律。研究表明:泵端轴承支承总刚度对稳定性影响较大,涡轮端轴承支承总刚度对轴系的稳定性影响较小。

基于支持向量机的涡轮泵故障诊断方法研究

针对涡轮泵的几种典型常见故障,应用支持向量机(SVM)构造多元分类器,解决故障诊断等多分类问题,在此基础上建立了基于支持向量机的故障诊断模型。试验结果表明,与神经网络相比,采用支持向量机进行故障诊断可得到更高的精度,表现出较好的分类和抗噪能力,而且效率高于神经网络,说明该方法是有效、可行的。

现代涡轮分子泵的进展

本文叙述了涡轮分子泵近期迅速发展的原因,涡轮分子泵采用的轴承型式的演变过程,宽域型复合分子泵的开发与磁悬浮轴承在涡轮分子泵上的应用。

磁悬浮分子泵的振动抑制

2000L磁悬浮分子泵研制中,遇到复杂振动问题:转子弯曲模态共振;陀螺效应造成动力学失稳;叶轮叶片导致转子颤振;成因复杂的机电耦合模态振动。它们同时出现,严重影响转子稳定性,给振动抑制带来困难,需进行精细的控制器设计。控制器中,对不同振动采用不同方法抑制:陀螺效应依靠交叉反馈控制;弯曲共振、分子泵叶轮叶片颤振及机电耦合模态振动,依靠各种不同的控制器传递函数相位整形方法。试验验证了方法的有效性,分子泵平稳升速到24000 r/min,样机达到了设计真空性能指标。

液体火箭发动机涡轮泵耦合分析

为提高液体火箭发动机工作可靠性,防止灾难性故障发生,避免其涡轮泵旋转频率与燃气脉动频率耦合,对涡轮泵的激励传递途径进行建模分析研究得出了发生器燃气压力脉动是重要激励源的结论。通过构造涡轮盘旋转频率与激励的耦合准则,计算得到了发动机涡轮泵工作时存在的耦合转速区,并对发动机热试车耦合情况进行了分析验证并得到了一致结论。