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。

液氧涡轮泵阻尼密封设计与动力学特性研究

为评估进口高预旋对动密封性能的影响,提出了能够同时模拟动密封进口压力场和速度场的“虚拟旁路边界”计算模型和动密封非定常流体激振数值预测方法。针对某型液氧涡轮泵离心叶轮前凸肩动密封,开展了迷宫、蜂窝和孔型阻尼密封方案设计、性能比较和深度变推力发动机涡轮泵密封动力学适应性研究,比较了液氧涡轮泵额定工况下3种动密封方案性能,计算分析了6种发动机推力负荷(10%~100%)、高进口预旋(预旋比为0.77)下孔型阻尼密封的泄漏量和转子动力特性系数。结果表明:在额定工况下,相比于迷宫密封,蜂窝和孔型阻尼密封具有更优的封严性能(泄漏流量分别减小了17.9%和17.5%)和动力学性能(同步频率下有效阻尼分别增大了180%和87%,穿越频率从661 Hz分别减小到了287 Hz和275 Hz);在发动机深度变推力工况下,孔型阻尼密封具有较大的同步频率有效阻尼;受高进口预旋的影响,有效阻尼的穿越频率随推力负荷的增大而显著增大(从50 Hz增大到430 Hz),减小了密封提供正阻尼的抑振频率区间;在大推力工况下,可通过在密封入口设置防旋板等止旋装置减小预旋、提高转子稳定性。

悬臂柔性转子动力特性及高速动平衡试验

试验研究了装不同弹性支承和金属橡胶阻尼器(组合支承)的火箭发动机氧涡轮泵转子的动力特性,并对装优选出的组合支承的转子进行了高速动平衡及重复性考核试验。结果表明:悬臂柔性转子的动力特性可以通过支承的优化组合而得到改善,单面平衡技术大幅度减小了转子的动挠度和弹支的动应力,分解和重新装配所带来的装配不平衡不会实质性的影响转子原有的平衡状态。

深度变推发动机浮动环工作适应性研究

按照我国载人航天登月需求,正在开展多次起动、10%~100%深度变推力80 k N液氧/甲烷发动机关键技术研究。氧涡轮泵作为发动机的核心组件,采用的浮动环密封变工况工作适应性将直接影响到涡轮泵工作的安全性和可靠性。依据发动机系统变推力要求,采用数值计算方法对浮动环密封进行不同推力工况、不同偏心率条件下的浮起力计算,并与一维方法计算的浮起阻力结果进行对比分析,确定全工况范围内一、二级浮动环工作时偏心率介于0.4~0.6之间,浮动环泄漏量约为2.58~39.4 g/s。浮动环在此偏心率范围内工作可靠性高,可以有效地避免浮动环碰磨、崩边,具备大范围变工况工作能力,满足涡轮泵安全性工作和发动机深度变推力工作要求,可以为涡轮泵方案论证及设计提供理论依据。

高压液氧涡轮泵孔型/蜂窝阻尼密封的设计

针对某型火箭发动机高压液氧涡轮泵离心轮的前、后凸肩动密封,采用孔型/蜂窝阻尼密封代替原始迷宫密封方案,并对密封结构参数进行优化设计,旨在减小泵内动静间隙泄漏,提高泵容积效率。采用经水工质孔型密封泄漏量实验数据验证的,基于k-ε湍流模型和三维定常Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的液体孔型密封泄漏量数值计算方法,研究了孔深、孔径对液氧孔型阻尼密封、蜂窝阻尼密封泄漏特性的影响规律,并与迷宫密封的封严性能进行了比较。计算分析了孔径在0.3~2.0 mm范围内、孔深在0.1~2.0 mm范围内连续变化时孔型阻尼密封的泄漏量。结果表明:相同孔径和孔深下,孔型阻尼密封和蜂窝阻尼密封具有相近的封严性能,均优于迷宫密封;有限的密封轴向长度下,液氧孔型/蜂窝阻尼密封泄漏量随孔径的增大(轴向孔数目减小)先减小后增大,孔型/蜂窝阻尼密封最佳孔径为1.4 mm;不同孔径下,液氧孔型/蜂窝密封均存在最佳深径比0.5,泄漏量达到最小值;相比于原始迷宫密封方案,优化设计的孔型/蜂窝阻尼密封使液氧涡轮泵离心轮前、后凸肩动密封泄漏量分别减小了约19%和21%。

水润滑螺旋槽端面密封的理论及试验研究

螺旋槽端面密封是液体火箭发动机涡轮泵用轴端密封的首选;考虑粘温、流体泄漏及热传导,建立了适合于内外双槽中间密封坝结构端面密封的理论分析模型,发展了螺旋槽密封膜厚控制方程和合适的边界条件;以此研究了密封特性参数(端面开启力、液膜刚度、摩擦力矩等)受不同运行参数(工作转速、压差等)和结构参数(槽深等)的影响规律。以水为密封介质,试验研究了处在不同压差和转速条件两类不同槽深的双螺旋槽端面密封的性能。理论和试验研究表明密封端面温升和摩擦力矩随转速和密封压差的增加而增加,槽深对温升和端面摩擦力矩影响不大;试验研究结果很好地验证了理论模型的正确性,为液体火箭发动机涡轮泵轴端密封的设计提供了理论和试验基础。

基于混合均质模型的气液两相流润滑动静压轴承性能分析

依据所建立的从全液体状态经混和介质状态,直至全气体状态的连续汽化流体属性模型,联合广义雷诺方程及全能量方程,从理论上对处在连续变化低温介质条件下的径向动静压轴承的静动特性进行研究。研究结果表明,由于两相流条件下的流体压缩性发生了极大变化,因而使得处在该条件下的轴承性能不再满足全液体或全气体介质润滑下的轴承性能规律。

泵压式氢/氧液体火箭发动机质量分析

在文献资料研究的基础上,根据泵压式氢/氧液体火箭发动机的实际特点,考虑发动机性能参数及结构尺寸等影响因素,利用理论推导、统计学及面密度等方法建立发动机质量模型。通过对SSME、RD-0120等8台氢/氧发动机质量的计算,验证了质量模型的合理性。为发动机在系统方案论证时,其质量、性能等参数的估算和优化奠定了基础。

发动机氧涡轮喷嘴叶栅气动特性的试验研究

对一个用于大推力液体火箭发动机氧涡轮泵的复速级涡轮的喷嘴叶栅进行了试验研究 ,以考察喷嘴叶栅的气动特性 ,验证喷嘴叶栅的气动设计。该复速级喷嘴叶栅采用先进的后加载流动控制技术 ,以减弱叶栅的二次流损失。对喷嘴叶栅进行了四个进口气流角、三个出口等熵马赫数条件下的平面叶栅吹风试验 ,测取了型面压力分布、出口气流角以及叶栅损失等重要气动特性参数。试验研究表明氧涡轮的喷嘴叶栅的设计是成功的 ,具有良好的气动特性 ,可以有效地应用于液体火箭发动机的涡轮中。

带悬臂涡轮盘发动机转子的振动特性及平衡技术研究

在旋转试验器上研究了带悬臂涡轮盘火箭发动机氧涡轮泵转子的振动特性,并在此基础上完成了氧涡轮泵转子的高速动平衡试验。结果表明:氧涡轮泵转子的振动与悬臂涡轮盘的不平衡量密切相关,单面高速动平衡技术对减小悬臂柔性转子的振动效果显著。

液氧涡轮泵新型螺旋阻尼密封泄漏特性研究

针对某液氧涡轮泵离心轮前凸肩密封,提出了一种新型螺旋阻尼密封结构(静子面孔腔和转子面螺旋槽)。为研究离心轮凸肩密封进口高预旋影响,提出了能够同时模拟动密封进口压力场和速度场的“双进口边界”数值模型。采用液体(水工质)孔型阻尼密封和螺旋密封的泄漏量实验结果,验证了基于三维定常Navier-Stokes(RANS)方程的动密封稳态泄漏流动数值预测方法的有效性和准确性。对比研究了迷宫密封、孔型阻尼密封、双螺旋密封等3种传统动密封结构和新型螺旋阻尼密封在某液氧涡轮泵6种变负载运行工况(负载率φ为23%、31%、54%、77%、100%、108%)、2种进口预旋比(λ为0、0.75)下的泄漏特性。结果表明:相比于3种传统动密封结构,新型螺旋阻尼密封在全工况下均具有最佳的封严性能(泄漏量减小10%~50%),尤其在高负载工况(更高转速、更大压差);新型螺旋阻尼密封的泄漏量对进口预旋、压差和转速等运行条件的变化敏感性最低(在23%~108%变载荷运行、无预旋时,新型螺旋阻尼密封的泄漏变化量相对于迷宫、孔型和双螺旋密封减小了45%、40%、29%),具有优良的变工况适应能力,能够满足液氧涡轮泵深度变推力的工作需求,是一种理想的液氧涡轮泵离心轮凸肩密封结构。

涡轮泵内流路静动态分析

根据涡轮氧泵内流路的工作特点,对其进行节点划分,建立了完整的内流路拓扑网络。在此基础上,建立主泵、节点特性、流阻元件变形、轴向力和轴向位移等模型,对影响其工作可靠性的内流路,进行静、动态过程研究,并初步探讨涡轮氧泵起动过程中,转子的装配位置、轴承游隙和刚度对轴向位移的影响。

预压涡轮泵轴流式液力涡轮的流动结构研究

高压补燃氢氧火箭发动机采用预压泵技术能有效提高推进剂泵的抗汽蚀性能,并大大减轻火箭贮箱的重量。氧预压泵一般通过轴流式液力涡轮驱动。采用数值方法对美国航天飞机主发动机所采用的多级轴流式液力涡轮的内部流场进行仿真计算,通过对马蹄涡、通道涡、泄漏涡等涡系结构的分析,研究了二次流对主流的影响,以及二次流造成的总压损失在叶栅通道中的分布情况。研究结果表明:马蹄涡会加强通道涡,泄漏涡在叶尖吸力侧下游形成,3种涡系结构深刻影响叶栅通道流动,产生较大的总压损失。

氢涡轮泵次同步振动问题的试验研究

某型氢氧发动机氢涡轮泵采用了超二阶临界转速工作的柔性转子,为了解决氢涡轮泵研制中发生的次同步振动问题,采用氢涡轮泵空转试验的研究方法,通过布置在涡轮泵机组不同位置的位移和加速度传感器,获取转子的工作信息,对轴系预紧力、密封动环安装位置、轴系相关零件的配合间隙、金属阻尼器等影响因素进行了研究和试验。试验结果表明,增加轴系预紧力对抑制异常频率的出现有较为明显的作用;密封动环的安装位置与轴承的距离越远,越容易激发出异常振动频率;适当增加轴套与轴的配合间隙可减小轴系的内摩擦,进而提高轴系稳定性裕度;金属橡胶阻尼器的采用对抑制异常振动有明显效果。

数据驱动的运载火箭氧涡轮泵异常分析方法

基于模糊聚类和LSTM网络,提出了一种数据驱动的运载火箭发动机氧涡轮泵数据异常分析方法。通过模糊聚类对工况复杂,标签不完整的数据样本进行预分类,得到完整的标签并且分析特征贡献度,为LSTM网络的特征筛选和训练打下基础;通过LSTM网络对氧涡轮泵数据进行预测,并计算预测结果与原始数据之间的平均误差,再根据非参数阈值计算方法计算的阈值判据来判断设备是否异常,最终实现了氧涡轮泵数据驱动的故障检测报警,相较于红线阈值检测方法准确率提升7%。

高压多级氢涡轮泵转子动力学设计与试验研究

转子动力学问题是液体火箭发动机氢涡轮泵研制中最复杂的问题之一。为了保证高速转子的稳定工作 ,必须对转子进行多方面的研究和试验。介绍了在高压多级氢涡轮泵研制过程中转子的结构设计 ,临界转速计算和转子动力学的试验研究等内容。

涡轮泵用动静压型机械密封性能数值分析

针对密封端面液氧的低动力黏度难以成膜的特性,提出一种动静压结合型机械端面密封。考虑节流孔的静压效应和液膜空化效应,建立了液膜的有限元分析模型,研究了动静压型机械密封的工作原理,分析了端面动静压结构几何参数对密封性能的影响规律。研究结果表明:动静压型机械密封的节流孔将静压效应引入密封端面,螺旋槽在提高液膜动压效应基础上将经节流孔流入的介质泵送回密封腔,提高了上游泵送量。在研究范围内,推荐的动静压结构几何参数的优选范围如下:螺旋槽槽台宽比为0.6~0.7、槽坝比为0.6~0.7、槽深为12~15μm、螺旋角为15°~18°,静压节流孔孔径为0.4~0.5 mm、节流孔个数为6~12个。

进口压力对液氧涡轮泵一级液封轮密封性能的影响

液封轮作为一种非接触式密封能够很好地解决火箭发动机液氧涡轮泵密封端面磨损失效及泄漏量大的问题。该文以某火箭发动机液氧涡轮泵多级液封轮为研究对象,采用数值模拟方法研究了进口压力对液氧涡轮泵一级液封轮密封性能的影响,并以工作介质为液氮进行实验,验证了本文采用的一级液封轮数值计算方法的可靠性,以泄漏流量和增压系数为指标对计算结果进行分析。结果表明:一级液封轮后方密封腔体的压力和温度偏差分别为6.7%和8.2%,该数值计算方法可行;在10000 rpm的转速下,通过改变进口压力可以得到负压密封、等压密封和泄漏这三种典型密封状态;以增压系数和泄漏量作为密封状态的评判标准,给出了密封状态的分类以及增压系数对应密封状态的分析方法。总而言之,液封轮与转速及进口压力的合理匹配十分重要,在实际应用中想要实现更大压力的工作介质密封则需提高转速或更换密封能力更强的液封轮。