航天液体火箭液氢泵叶片积叠线空化性能优化仿真研究

参照现有液体火箭液氢涡轮泵设计一组诱导轮-离心轮构型。通过数值模拟方法探索液氢涡轮泵中离心轮叶片前缘积叠线的影响规律,验证相应的优化方法。结果表明:泵体流量工况的变化会影响泵体的流场,并对空化现象产生影响;而进行积叠线倾斜优化能调整沿叶高的攻角,进而改善泵体空化性能;积叠线倾斜角θ的取值范围在55°~80°时叶片具有较好的防空化气蚀性能。

重复使用液体火箭发动机可用度的数字仿真

重复使用液体火箭发动机(RLRE)可以降低航天发射成本,是未来航天运载器的发展方向之一.RLRE的复杂性、部件寿命模型的差异等不确定因素使得它的可用度评估工作十分困难.在现有的航天飞机使用资料的基础上,利用蒙特卡罗数字仿真方法,以航天飞机主发动机(SSME)高压液氢涡轮泵(HPFTP)为例对其可用度进行了分析.该方法不涉及部件的寿命分布模型,但考虑了前期维修对后期故障的影响,可以合理地模拟系统的故障发生过程.结果表明,在基本维修的情况下,HPFTP存在最佳的预防维修周期,其平均最佳合理预防维修周期为6 340 s,为满足航天飞机的任务需求,理论上预防维修前可重复使用12次,对应的平均最佳可用度为0.285.较低的可用度反映了HPFTP工作过程的特殊性.本文方法可以为航空航天推进系统可重复使用性研究提供参考.

25吨级膨胀循环发动机技术方案研究

通过推算国外20吨级氢氧膨胀循环发动机系统参数,获得发动机系统的关键特征,介绍25吨级膨胀循环发动机系统方案设置,通过参数平衡优化及最低夹套温升条件限制,提出25吨级膨胀循环发动机主要性能参数,并简要介绍了推力室、氢涡轮泵两大核心组件技术方案及其它需开展的关键技术。

液氢涡轮泵孔型阻尼密封设计与性能评估

针对某液氢涡轮泵级间迷宫密封流体激振诱发转子涡动失稳问题,开展了孔型阻尼密封方案设计及密封泄漏特性和转子动力特性评估研究。通过不同密封间隙、孔径和孔深等关键几何参数的组合,共设计液氢孔型阻尼密封方案25种。采用定常CFD(computational fluid dynamics)数值预测方法,计算分析了密封间隙、孔径和孔深对液氢孔型阻尼密封泄漏量的影响规律;采用基于多频单向转子涡动模型、动网格技术和转子动力特性系数频域识别方法的非定常CFD摄动数值预测方法,计算分析了孔径和孔深对液氢孔型阻尼密封转子动力特性系数的影响规律。研究表明:液氢孔型阻尼密封的孔深和孔径的比值(密封孔深径比H/D)存在一个临界值(H/D=0.5附近),此时密封泄漏量最小;H/D<0.5时,液氢孔型阻尼密封泄漏量对孔深变化不敏感(小于4.5%);较大孔径的液氢孔型阻尼密封具有更小的有效刚度;较小孔深的液氢孔型阻尼密封具有更小的有效刚度和更大的有效阻尼;综合考虑液氢孔型阻尼密封泄漏特性和转子动力特性,液氢孔型阻尼密封应选取较小间隙、较大孔径和最佳深径比以内(H/D<0.5)的较小孔深。

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。

超高转速氢涡轮泵柔性转子动特性仿真分析

以25 tf级膨胀循环氢氧发动机氢涡轮泵为研究对象,针对超高转速氢涡轮泵柔性转子临界转速设计、稳定性控制的难题,采用有限元方法建立转子轴承系统动力学模型,考虑支承结构参与振动、密封流体的刚度及阻尼、支承刚度及阻尼随转速变化等因素的影响,计算分析了设计参数对转子临界转速、稳定性的影响,提出了优化改进方向。仿真分析表明:该氢涡轮泵的转子系统设计方案能够满足临界转速裕度、弯曲应变能控制的设计准则和目标要求;工作转速范围内转子一阶对数衰减率最小值约为0.15,满足稳定性设计准则的最低要求;若要进一步提高转子的稳定性裕度,可适当降低泵端弹性支承刚度,把转子悬臂段的流体密封由齿型结构改为阻尼更大的孔型结构,将对数衰减率提高到0.22以上。

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。

补燃循环先进上面级过氧化氢/煤油涡轮泵研制

过氧化氢/煤油涡轮泵用于35 kN补燃循环先进上面级发动机,由过氧化氢泵、煤油泵和涡轮组成,采用涡轮偏置的单轴布局结构。过氧化氢泵为典型的带诱导轮离心泵形式。基于超低比转速及转子动力学方面的考虑,煤油泵采用了部分流泵形式。为了解决轴向力平衡问题并获得较高的效率,涡轮采用了低压比小反力度方案。通过材料与工作介质的相容性研究,总结了一整套可操作性强的过氧化氢泵零件相容性评价准则、选材以及零件钝化处理工艺等技术。对涡轮泵联试和发动机热试车情况进行了分析,并提出了后续研究的重点方向。

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。

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。