火箭发动机两级反转小涡轮的设计与试验

本文叙述了反转式小涡轮泵系统的气动设计和台架试验评估。这种涡轮所代表的技术应用于一台先进的上面级火箭发动机涡轮泵中、这台发动机采用氢氧膨胀循环并通过高效燃烧、高燃烧压力、高喷管膨胀面积比获得高性能指标、发动机性能指标要求涡轮泵的驱动涡轮能在低燃气流率条件下获得高效率。小流率导致叶型的直径、高度及弦长都很小,因此高效和小尺寸的要求对涡轮设计提出了一个具有挑战性的问题。本文叙述用一种非常规的方法来迎接这一挑战,并详细叙述了设计程序以及由此产生的叶型构型、本文对分析一级或二级结构形式以及无二级静叶结构形式的全尺寸气动性能计算方法和结果作了介绍,这项成果的全部结果表明;先进的气动设计工具和硬件生产技术为制造先进火箭发动机的小型高性能涡轮提供了可靠的基础。     

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...     

25tf膨胀循环氢氧发动机研制进展

25 tf膨胀循环氢氧发动机是针对我国重型运载火箭三级主动力需求研制的液体火箭发动机,也可应用于未来其他航天器的上面级。该发动机采用闭式膨胀循环方式,具备高可靠、高比冲、大范围变推力以及多次点火等能力。发动机已通过推力室挤压热试验、氢涡轮泵介质试验等子系统试验验证了各项关键技术及组合件设计方案,发动机的整机方案实现已不...     

局部进气冲击式压力级涡轮设计优化研究

依据液体火箭发动机涡轮泵原理,建立了两级局部进气冲击式压力级涡轮的设计方法。该方法可以根据涡轮进出口边界条件、转速和结构尺寸等参数,完成涡轮的一维设计,并输出叶型的几何数据和流动性能参数,再结合三维数值模拟进行验证。按照涡轮总体设计要求,完成了某小流量高压比涡轮的原始设计,根据三维数值模拟的结果,对原始设计的涡轮叶型进行了优化,涡轮效率提高了2%。在全周结构上进行了三维数值模拟验证,优化后的两级局部进气冲击式压力级涡轮满足涡轮总体设计要求。     

高空发动机涡轮泵启动性能仿真与试验研究

在涡轮泵启动物理模型理论分析的基础上,编写仿真程序对启动过程进行分析。搭建了涡轮泵启动性能试验台,采用某型火箭发动机涡轮泵进行试验验证。仿真结果表明该模型满足涡轮泵启动特性研究的要求,试验结果表明该试验方案适合进行涡轮泵启动性能试验研究,可用于研究涡轮泵启动过程中涡轮、泵、机械密封、轴承等重要零组件的性能。     

登月舱用深度变推下降级发动机系统方案研究

在我国的载人登月技术方案中,为实现软着陆,登月舱需要一种大推力、高性能、多次起动,能够大范围变推力的泵压式发动机.通过研究国外登月用下降级发动机技术发展现状和趋势,基于我国氢氧发动机和低温推进剂空间贮存水平,进行了深度变推发动机的系统方案研究;通过分析比对燃气发生器循环和膨胀循环系统优缺点,确定发动机系统方案为涡轮串联闭式膨胀循环;采用空间可长时间贮存的液氧/甲烷推进剂组合,可满足任务周期要求;根据推力深度调节时对各组合件性能要求,确定喷注器燃烧稳定技术和燃烧室身部传热技术是深度变推发动机研制的核心关键技术.     

上面级发动机小功率冲击式涡轮性能试验研究

设计了一种适用于小功率冲击式涡轮性能试验方案,该方案由燃气路和水路组成,通过酒精发生器获取高温高压空气驱动涡轮转动,泵为水介质增压作为负载进行涡轮性能试验,保证了试验涡轮状态与真实产品状态的一致性.以涡轮相似换算准则为基础在试验系统能力允许的范围内设计试验工况.本涡轮性能试验方案利用泵水力性能核算涡轮输出功,根据实测的涡轮压力、温度等参数,最终获得涡轮效率随涡轮速比变化的性能曲线.通过设计考台试验件及考验方法,确保试验系统参数测量的稳定可靠.经某上面级发动机涡轮泵作为试验对象验证,采用该试验方案可以获取涡轮效率.同时3件试验涡轮转子的性能试验结果对比表明该上面级发动机涡轮转子性能一致.     

液体火箭发动机涡轮泵用轴承寿命试验研究

基于液体火箭发动机涡轮泵轴承工作要求的特殊性,介绍了一种考核液体火箭发动机涡轮泵用轴承寿命的试验方法,设计了轴承试验方案,并研制了专门的试验系统.以某型号发动机氧泵用轴承为研究对象,对其进行了常温水介质和低温液氮介质运转试验.试验系统运转良好,并且通过该方法试验后的同批次轴承参加发动机热试车工作正常.     

涡轮泵超低工况性能研究

对于泵压式变推力发动机和先进的冲压发动机,需要涡轮泵变工况工作,涡轮泵变工况性能是该类发动机研究的一个重点。结合上面级验证性发动机试车,对游机涡轮泵变工况的性能和稳定性进行分析研究。通过泵全流量特性试验和汽蚀试验,得出泵能够在额定流量点25%处稳定工作的结论。对涡轮工况变化后的燃气参数、入口压力、出口压力及效率进行分析,认为涡轮也能够稳定工作。给出了游机涡轮泵可以参加验证性试车的结论,并得到了发动机试车的验证。     

集成模块式发动机系统的流体设计研究

本文对采用集成模块式膨胀循环发动机(IME)方案的流体系统设计研究进行了研究,并证实了该方案的可行性。IME 发动机的主要设计目标是提高推进系统的可靠性。IME 发动机流体系统设计成单容错系统,从而降低了对各流体组件的要求.本研究论述了 IME 发动机方案中高压集流腔、涡轮泵和推力室的设计。勾画了系统结构草图,确定了每一种流体组件、集流腔和推力室的位置。最后,对 IME 发动机系统与非网络(集束式)发动机系统的流体组件系统设计进行了比较。     

火箭发动机涡轮泵故障检测及预测算法研究

涡轮泵作为液体火箭发动机的核心部件,恶劣的工作环境和极高的转速使其易发生组件断裂、烧蚀等问题。为了对液体火箭发动机的涡轮泵进行健康管理,提出针对某型液体火箭发动机涡轮泵的数据驱动故障检测、故障预测及健康状态评估方法。在某型液体火箭发动机试车数据集上,通过对涡轮泵轴、径、切向振动数据进行对应的时域、频域特征处理后,送入训练好的ResNet网络、自主设计的图像特征识别算法以及退化模式线性回归模型,分别实现了对该型液体火箭发动机涡轮泵的故障检测、预测及健康状态评估,具有较高的准确性。     

支承总刚度对涡轮泵转子临界转速及稳定性旳影响

针对低温液体火箭发动机涡轮泵转子非线性系统开展了支承总刚度对临界转速及系统稳定性的影响研究.建立了涡轮泵转子非线性系统的动力学模型,在有安装偏心条件下分别研究了泵端和涡轮端支承总刚度变化对转子系统临界转速和稳定性的影响,给出了失稳转速随支承总刚度的变化规律,为液体火箭发动机涡轮泵转子系统结构设计、诊断与维护提供理论依据.     

发动机涡轮泵流体动静压轴承应用分析

针对液体火箭发动机涡轮泵特殊工作环境,讨论了流体动静压轴承可采用的结构形式和需要解决的关键技术。提出了径向轴承宜采用腔式结构,止推轴承宜采用螺旋槽或瓦块结构;并针对液氧涡轮泵动静压轴承提出了研究需要解决的关键技术。     

Small cryogenic propulsion unit for upper stage application

The feasibility study was conducted to use the cryogenic propulsion system for the third stage of the future H-1 vehicle. While the $\text{LO}{}_2\text{LH}{}_2$ third-stage mass fraction is less than the current solid propellant third stage, the 50% higher Isp results in a significantly higher payload. Two basic configurations of the new propulsion system were proposed: one pressure-fed system and two pump-fed systems. The first is a pressure-fed system providing a 700 kg thrust at an Isp of 441 sec with restart capability. The second is a pump-fed system, operating on an expander cycle principle. A midget turbopump with a 90 000 rpm shaft speed feeds the thrust chamber which delivers 1 ton of thrust at an Isp of 471 sec. The third proposed system is also a pump-fed design using a unique expander bleed cycle, and delivers a 1 ton thrust at an Isp of 470 sec with a turbopump speed of 80 000 rpm. The results of engine testing predict the performance feasibility of respective propulsion system designs.     

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。     

氦气驱动预压涡轮泵启动初期反流问题分析

用于某液体火箭发动启动动系统的气驱预压涡轮泵在起动初期出现了气体反流,导致预压泵呈夹气状态,对发动启动动过程控制不利。根据驱动试验系统原理,在MWorks平台中对驱动过程进行了仿真。对预压泵采用了Suter全特性表达式,对涡轮管路及排放路分别建立了描述排空与两相流动过程的简化数学模型。结果 表明,导致反流的原因为涡轮入...     

Operational life improvement of SSME high-pressure turbopumps

The current Space Shuttle Main Engine Phase I engine has demonstrated excellent flight performance at power levels up to 104% of rated power level. Early certification testing at 109% power level showed the operational life of the high pressure turbopumps to be limited. A development program, Phase II, has been under way since 1983 to increase the operational life and provide additional margin. The history of the SSME Phase I engine and the design and results of the SSME Phase II Program are presented. Operational life limits and high-maintenance areas of the high-pressure turbopumps are identified. The Phase II design improvements, supporting analyses, and test results are described. The formal certification test program is discussed. Modifications have been made to the high-pressure fuel turbopump to reduce turbine operating temperature, to extend the life of the first- and second-stage turbine blades, and to reduce sheet metal maintenance. Modifications have been made to the high-pressure oxidizer turbopump to improve bearing life and to eliminate subsynchronous whirl. These are discussed in detail, as is the design and use of special instrumentation to provide for rapid evaluation of merit.     

Test results of the air turbo ramjet for a future space plane

The Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) has been engaged in the development study on the Air Turbo Ramjet (ATR) engine since 1986 in cooperation with the Ishikawajima Harima Heavy Industries Co. Ltd (IHI). The ATR is one of the most preferable candidates for the propulsion system of a future space plane. Our ATR engine is a combined cycle air breathing propulsion system which consists of the turbojet and the fan boosted ramjet using the liquid hydrogen as a fuel. This engine system was named “ATREX” after employing the expander cycle. The ATREX is energized by thermal energy extracted regeneratively in both the pre-cooler installed in the air intake and the heat exchanger in combustion chamber. The ATREX works in the flight condition from sea level static up to Mach 6 at 35 km altitude. The ATREX employs the tip turbine configuration for compactness of turbo machinery. We are assessing the feasibility of the ATREX system by the sea level static tests using the 1/4-scale model (ATREX-500) with a fan inlet diameter of 300 mm and overall length of 2120 mm. In 1990, the ATREX-500 engine was tested in a sea level static condition to verify the performance characteristics of the turbo machinery and the combustor. In September of 1991, the heat exchanger was installed in the combustion chamber and tested independently from the turbo system. In November of 1991, the heat exchanger was coupled with the turbo system and tested to verify the overall system of the ATREX. In this paper are presented the test results of the ATREX-500 engine tested in the sea level static condition.     

用于发动机涡轮盘叶片加工的夹具设计

介绍了用于加工发动机涡轮盘叶片夹具的设计准则,并给出了采用矢量三角函数和VC软件计算夹具极限偏差的公式及其判别依据,采用该准则设计的夹具用于涡轮盘叶片加工,产品满足设计要求,并通过了发动机热试车考核。     

涡轮/冲压组合发动机性能分析工具

着眼于建立一套性能分析工具，可用于高超声速飞行器串联式涡轮/冲压组合动力装置总体方案的性能评估及设计约束条件分析。为了满足飞行器从起飞到飞行马赫数5宽广飞行包线内对动力装置性能的苛刻要求，所研究的组合发动机通过调整五个可调机构再加涡扇冲压燃油调节来实现变循环概念。该工具采用一维气动热力分析技术，使用了经试验验证的各部件特性，同时考虑了气体的变比热性质。通过采用面向对象的程序设计方法，该工具提供了一个性能仿真平台，可供涡扇工作模式，冲压工作模式，涡扇/冲压模式转换过程的热力循环分析，非设计点性能分析，控制规律研究等。借助于该工具，涡扇模式及冲压模式的热力循环分析结果表明，回流裕度是涡扇模式循环参数选择中需要重点考虑的因素；高的冲压燃烧室出口温度有利于提高冲压发动机的循环性能。