火箭发动机的正反转涡轮设计

一项减少重复成本的主要方法就是限制零件数量和简化机械结构.涡轮泵在火箭发动机总成本中占有很大一部分,大约是30%,因此,理应对涡轮泵进行设计简化.对于可贮存的液氧/烃或者液氧/甲烷火箭发动机,把涡轮泵设计成一轴化是有价值的.然而,对于液氧/液氢发动机,由于两推进剂密度之间存在着巨大的差异,因此,最佳方案就是燃料泵和氧化剂泵分别采用不同的转速驱动.在这种方案中,可以仅用一个涡轮来带动液氧和液氢泵,不过两泵之间要通过齿轮来传递转速,例如HM7或RL10发动机就是这样的结构.但是,齿轮在低温环境中的工作是不可靠的,此外,成本和重量也是问题,带有齿轮的涡轮泵适用于低推力发动机,为低功率涡轮泵.目前,低温火箭发动机推力室通常采用两个独立的涡轮泵来供应推进剂,一个涡轮泵是供应液氢,另一个供应液氧(某些俄罗斯的发动机除外).可以采用正反转涡轮,使得氧化剂泵和燃料泵处于单一壳体内.该正反转涡轮设计的约束条件如下:每个转子必须按所需转速驱动相应的泵;每个转子必须传递驱动泵的功率;必须对轴向载荷进行监测,以免轴向推力轴承过载.设计的自由度包括转子半径和涡轮的压力叶栅.本文给出正反转涡轮一个简单的一维理论,考虑了每个转子半径的不同,并对一组同一规格的两个轴流涡轮与正反转涡轮进行了比较.     

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。     

高压液氧涡轮泵试验设备的涡轮驱动系统

1985年建于日本国家航天试验室角田研究中心的高压液氧涡轮泵试验设备,已成:叻地对用于 LE-7、LE-7A 发动机上的高压液氧涡轮泵进行了500多次各种试验,解决了结构设计中的两个技术难题.首先,必须将燃气发生器产生的工作气体控制在一定温度内,以防止涡轮叶片熔化或被损坏,即使在燃气发生器点火和关闭时也要如此。其次,必须将大量的涡轮废气安全地排放,避免由于涡轮废气直接排入大气而产生的大面积的噪声和振动。本文阐述该设备的设计方法和特点。     

全流量分级燃烧循环发动机系统的优势

本文描述 RS—2100全流量分级燃烧火箭发动机的概念设计。这种发动机用于单级入轨可重复使用的运载器(SSTO RLV)上。全流量分级燃烧循环的优点是:涡轮温度低,高压氧化剂涡轮泵结构简单,液氧换热器安全和气体旋转起动坚固耐用(ro-bust gas spin start)。     

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。     

先进的液氧涡轮泵的设计与开发

先进的液氧(简称ALO)涡轮泵,用于推力为222.4kN的上面级膨胀循环发动机,它的结构尺寸和性能特征是由Pratt-Whitney公司制定的,以支持整体高收益的火箭推进技术项目(简称IHPRPT)。ALO涡轮泵是由俄罗斯的Voronezh化学自动化设计局(简称CADB)设计的,该设计局是Pratt-Whitney公司的合作伙伴。ALO涡轮泵是一种为上面级液体火箭发动机设计的高性能、低成本、高可靠性的涡轮装置,所提供液氧的流量为99Ib/s(45kg/s),压力为1800psi(121bar)。该涡轮泵与泵前的增压泵一起联合使用。按预先设想,ALO涡轮泵先进之处不仅包括高可靠性和低制造成本,而且其设计和开发费用也被压缩至最低限度。设计、制造和零件的标准测试是在一个较短的周期内(大约1.5年)完成的,花费了少量的元器件和原材料。这可能部分归功于CADB对以前相似涡轮泵充分的研究。     

液氧/煤油发动机涡轮吹风用燃气发生器研制

简要介绍了用于液氧/煤油发动机涡轮吹风试验系统的燃气发生器的研制,通过对该燃气发生器的工作原理、参数等的分析、计算,确定了该燃气发生器的结构,进行了喷嘴流量、雾化试验和发生器的热调试,满足了试验系统的最大流量要求,为液氧/煤油发动机涡轮泵的研制提供了保障,表明该燃气发生器的研制是成功的.     

补燃循环发动机起动过程涡轮功率控制

分析了采用富氧燃气发生器的补燃循环发动机起动过程中涡轮功率的控制方法,指出起动过程中涡轮功率的主要控制参数为发生器温度和涡轮压比。起动过程中发生器温度的控制依靠选择合适的流量调节器起动流量、转级时间和转级速率来实现。起动过程中涡轮压比的控制需要控制推力室的建压时间和建压幅度,这需要选择合适的推力室燃料主阀打开时间、燃料节流阀转大流量的时间。通过数值仿真,分析了上述控制方法对发动机起动过程的影响机理。     

涡轮泵环形颗粒阻尼器设计

设计了一种用于液体火箭发动机涡轮泵减振的环形颗粒阻尼器。为研究颗粒阻尼器的减振性能,基于有限元法建立了附加颗粒阻尼器以及不加颗粒阻尼器的涡轮泵模型,计算过程中采用结构阻尼系数来描述颗粒阻尼器的阻尼特性。仿真结果表明．颗粒阻尼器能够显著降低涡轮泵的振动,并且对涡轮泵的动态特性影响很小。     

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.     

220tf补燃循环氢氧发动机研制进展

220 tf补燃循环氢氧发动机设计用于重型运载火箭。通过多方案对比论证,优化确定了发动机采用单富氢预燃室并联驱动氢氧主涡轮泵、推力室与喷管串联冷却的系统方案。梳理了强耦合系统控制、高压大流量燃烧装置、高效大功率涡轮泵等多项核心关键技术。开展了从缩尺到全尺、从组件到分系统的大量攻关试验研究,并最终成功实现了发动机半系统试...     

径流式涡轮在膨胀循环发动机氢涡轮泵中的应用

为满足膨胀循环液体火箭发动机高性能和高可靠的研制要求,在氢涡轮泵方案的选择上采用了径流式氢涡轮方案。通过一维热力和三维结构设计,初步验证了径流式氢涡轮应用可行性。借助于CFD分析软件,完成了该涡轮设计工况全三维粘性数值模拟,证明性能满足指标要求。通过强度优化设计和轴向力平衡两方面研究,突破了涡轮泵应用的两大技术难点。结合该涡轮介质试验及发动机热试车考核情况,得出径流式涡轮能够应用于膨胀循环发动机氢涡轮泵的结论。     

液氧／煤油发动机煤油预压涡轮泵技术

液氧／煤油发动机采用独立的预压涡轮泵装置可减小推进剂组元贮箱的增压和提高主泵的转速,从而提高主泵的效率并降低其结构质量。以煤油预压涡轮泵为例,阐述了预压泵结构特点、轴承冷却系统及轴向力平衡装置。为提高预压泵的抗汽蚀性能和扬程．提出了变螺距变轮毂诱导轮方案,分析了流量系数、螺距及轮毂形状,并对诱导轮内流场进行了数值模拟,获得了其内部流场结构。水力试验结果表明,煤油预压泵性能稳定．在预压泵额定流量下,可使煤油主泵的入口压力提高约0．4MPa,与设计值相符。     

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.     

三组元液体火箭发动机涡轮泵变工况研究

本文通过对国内外分级燃烧循环发动机和有关单级入轨发动机涡轮泵研究结果的分析,提出了三组元涡轮泵性能参数的限制范围与要求。在低比转数为50的泵机组全流量特性水力试验的基础上,阐述了低比转数泵相对的全流量特性变化规律。分析了几个不同比转数泵的水力试验结果,建立了三组元泵性能特性的数学方程。据此,依据泵的工况调节方法对三组元涡轮泵模式一和模式二下的性能进行了分析计算。     

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...     

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.     

我国首次闭式循环发动机发生器-涡轮泵联动试验研究

液氧/煤油闭式循环发动机发生器-涡轮泵联动试验的特点是发生器组元供应依赖氧泵及煤油泵;联动试验产品自身起动,化学点火,闭式循环工作;通过流量调节器、节流阀、工艺喷管和多级节流装置实现系统调节和参数平衡.联动试验的主要目的是考验涡轮泵、发生器、阀及相关分系统的方案可行性及工作协调性,掌握补燃循环系统的起动特点及试验技术.本文论述了联动试验系统总体方案、关键技术攻关研究、分系统地面冷试方案、试验工况调整、试验程序确定及试验保障措施等试验方案设计过程,对进一步试验和同类型试验具有重要参考及借鉴价值.     

液体火箭发动机涡轮壳体温度偏高原因研究

分析了液体火箭发动机001～003试车时发生器排气壳体和涡轮进排气壳体的温度变化情况。应用非稳态传热方法对实际结构仿真了003次试车时发生器在不同流量、不同效率时涡轮壳体温度的变化情况,得出了该次试车时涡轮壳体温度偏高的主要原因是发生器燃烧效率偏高。     

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。