膨胀循环氢氧发动机火炬点火系统方案研究

针对膨胀循环氢氧发动机多次点火需求,开展了火炬式电点火系统方案论证和仿真研究,明确了较为合理的低压火炬式电点火系统方案,并完成整机级试验验证。结果表明,氢主阀打开瞬间点火室混合比波动较大,可能造成结构烧蚀;从氢涡轮前引气氢、氧泵后引液氧的方案烧蚀风险较小,但对发动机起动和稳态特性有一定影响。试验验证了仿真分析结果,实现了中国液体火箭发动机首次低压火炬式电点火起动,初步表明点火系统方案可行。

膨胀循环氢氧发动机低箱压起动特性研究

为满足长时间在轨低温上面级对发动机低入口压力起动的需求,对膨胀循环氢氧发动机低箱压起动特性进行了仿真和试验研究,建立了较为准确的起动特性仿真模型,完成了地面环境和高空模拟环境氢入口低箱压起动试验。结果表明,氢入口压力越低,发动机起动加速性越慢,两者呈类似双曲线关系;降低喷管出口背压有利于发动机起动,氢入口压力越低,背压对起动加速性的影响越大。

膨胀循环氢氧发动机低压火炬的点火能量研究

针对膨胀循环氢氧发动机多次点火需求,采用氢、氧推进剂吸热着火和火炬燃气降温放热的假设,用热力计算方法从理论上分析了推力室采用火炬点火的能量问题。在考虑火炬燃气与推力室内的氧补燃后,富燃低压火炬点火器的点火能量能够满足推力室点火需求。研制了2种低压火炬点火试验系统,对膨胀循环发动机进行了17次点火试验,试验结果与理论分析结果相符,验证了补燃点火假设。

深层相关性对齐迁移学习的轴承故障诊断方法

针对轴承实际工况复杂多变,现有的智能故障诊断模型和方法诊断效果不理想等问题,设计一种深层特征相关性对齐迁移学习的故障诊断方法。首先,对原始轴承振动信号预处理并将所获得的数据样本划分为训练集、迁移集和测试集;其次,建立一维卷积神经网络,采用训练集对网络模型进行初始化训练;再次,利用迁移集对微调模型进行迁移,提取源域和目标域的深层特征,在迭代过程中不断提高两域所提取特征之间的相关性;最后,使用测试集对所得到的轴承智能故障诊断模型的有效性进行验证。实验结果表明,相对于传统故障诊断方法,该方法可以提高模型的泛化能力,更好地完成实际工况下的轴承故障诊断任务。

基于小波包分解与高斯云模型的故障诊断方法

人工智能技术作为有效手段广泛用于机械系统故障诊断,但故障样本的缺乏严重制约人工智能模型走向高精度诊断的工程应用。针对故障样本不足的问题,提出一种基于小波包分解与高斯云模型的故障诊断方法,通过对小样本的故障信号做小波包分解并计算每个子频带的能量以建立故障特征向量,对特征向量建立高斯云模型并正向云计算生成大量云滴以扩充故障样本。基于凯斯西储大学的轴承数据和支持向量机的故障分类实验结果表明,所提方法能有效扩充故障样本,提高故障诊断精度。

锥度和不对中误差对止推箔片轴承承载特性的影响

空间核电系统采用高温气冷堆闭式布雷顿循环方案,使动力转换系统可高效地利用核能发电。动力转换系统采用止推箔片轴承,省略了供油和供气系统。建立柱坐标系下可压缩气体的雷诺方程并耦合求解锥度和不对中误差影响的气膜厚度方程,分析了止推箔片轴承在生产和装配过程中产生的锥度和不对中误差对轴承承载特性的影响。结果表明:在设计间隙不变的情况下,锥度增大导致轴承承载力减小;在轴向载荷恒定的情况下,锥度绝对值越大,最小气膜厚度越小,最大气膜压力则相反;随着不对中角度增加,轴承承载力和摩擦功快速增大,单瓦的承载力出现严重不均衡情况,不对中误差对轴承刚度系数和阻尼系数的影响较明显,直接影响转子系统的稳定性。

推力室集合器导流结构均流效果仿真与优化

针对某膨胀循环氢氧火箭发动机推力室的集合器内周向流量分配不均匀问题,设计了一种集合器入口导流结构。采用FLUENT模型仿真得到的边区喷嘴流量分布均匀性结果为判据,对导流结构的具体几何参数进行优化,获得了导流片的最优结构参数。结果表明:优化后的导流结构可将外圈喷嘴流量分布均匀性偏差由-4.49%-1.05%收窄至-0.91%~1.12%;采用该导流结构可显著改善外圈氢喷嘴的流量分配均匀性,有助于解决由于流量分配不均导致的局部喷嘴烧蚀问题。

球型调节阀液动力矩特性仿真及优化设计

为了获得液体火箭发动机调节阀的液动力矩特性,采用kubota空化模型和标准k-ε湍流模型针对某型调节阀在发动机运行工况下的空化流动开展了数值仿真研究,通过与液流实验数据的对比验证模型准确性,并定量分析了阀芯液动力矩的影响因素、分布特性和演化规律。研究结果表明:阀芯液动力矩大小取决于开度、压差和阀芯流道直径。相同压差下,开度由10°增加至80°,液动力矩单调增加,方向均为使阀芯关闭。相同开度下,压差分别增至3倍和5倍,液动力矩分别变化为原来的3倍和5倍左右。液动力矩分布主要由密封面力矩和主流道力矩两部分组成。随着开度的增加,密封面力矩先减小后增加,主流道力矩先增加后减小。阀芯流道直径由70 mm减小为60 mm,液动力矩最大值增加了24.5 N·m。这是因为相同发动机工况下,减小流道直径使得阀芯开度增加,主流道力矩增加数值大于密封面力矩减小数值,所以总液动力矩呈增加特征。提出了削去原始模型主流道下壁面区域的优化方案,优化模型在100%工况时液动力矩仅为13.2 N·m,且优化模型的流通面积保持不变。与降低流道直径的优化方案相比,所提出的针对主流道下壁面优化方案液动力矩最大值减小了94.4 N·m,大大减轻了控制电机的负荷,已成功经过多次发动机试车考核,提高了液体火箭发动机的可靠性,并为实现发动机轻量化提供了重要参考。

液氧温度仿真及其对离心喷嘴声学频率影响

针对文献中采用离心喷嘴的氢氧预燃室热试车出现液膜声学相关频率的现象,采用两相流温度瞬态传热仿真计算了30 s热试车中喷嘴内液氧膜平均温度的变化过程。为节约计算资源和时间,采用Fluent多相流模型计算获得稳态等温速度场,采用二维轴对称传热模型调用两相流速度场和相分布结果进行流固耦合瞬态温度仿真。传热计算结果显示:喷嘴出口燃气温度对液氧膜温度有较为显著的影响。喷嘴出口气体温度升高50 K会导致液氧平均温度升高约2 K,喷嘴出口气体温度为105 K时,仿真计算得到的液氧平均温度数值与文献中经验修正值较为吻合,验证了其温度经验修正方法具有一定的合理性。模型计算结果能够解释固体热容对液氧加温作用导致喷嘴声学频率降低的现象。

离心喷嘴声学相关热试验频率分析与计算

针对采用离心喷嘴的氢氧预燃室,基于高频脉动压力的热试验数据,对比了试验频率的变化趋势和与之相关的主要测试参数的变化规律,初步推测影响热试验频率的根本因素是离心喷嘴内部液膜的声速和燃烧室压力。发展形成了基于声学理论计算喷嘴频率的半经验公式,使用喷前压力和修正了的液氧温度查询声速计算的喷嘴频率。半经验公式的计算结果与试验实测频率吻合很好,分析认为类似管路声学频率计算的半经验公式同样适用于离心喷嘴。声学频率决定了离心喷嘴液膜主导表面波波长的初始值,主导表面波流动所受气体阻力随压力及液膜速度升高而增大使其波长减小,液膜一次破碎的频率升高,可能是热试验频率与燃烧室压力正相关的影响机制。

切向孔直径精度对离心喷嘴性能影响

为解决离心喷嘴流量系数理论计算与试验偏差普遍较大的问题,采用Fluent两相流模型计算了不同切向孔直径下的喷雾锥角、流量系数等性能参数,分析发现切向孔直径加工精度对离心喷嘴流量系数有较显著的影响。通过塞规测量了4个喷嘴的切向孔直径,利用切向孔直径测量平均值建立几何模型,计算了较大范围不同压降下的喷嘴性能,并与试验结果进行了对比。模型计算结果和试验数据吻合较好,喷雾锥角与试验偏差小于1°,流量系数偏差小于4.2%。