液体火箭发动机涡轮泵转子弯扭耦合振动研究

为获得转子振动特性,针对液体火箭发动机涡轮泵转子系统建立了其在密封流体激振作用下的弯扭耦合动力学模型。通过数值仿真和试验研究了涡轮泵转子系统弯扭耦合振动的动力学特性,结果显示在密封流体激励作用下弯扭耦合振动的非线性特性显著。还研究了偏心距对涡轮泵转子系统弯扭耦合振动的影响。本研究可为液体火箭发动机涡轮泵转子的结构设计、诊断与维护提供可靠信息。     

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...     

高速涡轮泵多部件耦合转子系统动力行为

液体火箭发动机高速涡轮泵系统包含多道浮环密封、轴端机械密封、滚动轴承等微小间隙约束的摩擦学基础部件,间隙内流体与多部件的相互耦合作用效应会导致转子系统动力行为的演变,其机理研究成为整机朝着更高性能与极端化方向(高速、高压、低温/高温等)发展的理论指导基础。首先,构建了考虑流体膜厚方程、动态雷诺方程、介质属性方程以及支撑单元力平衡方程的机械密封热弹流模型和浮环密封动态性能分析模型;其次,耦合各摩擦学单元动态性能模型,发展了包含机械密封、浮环密封、滚动轴承、涡轮泵转子等多功能部件耦合的整机转子系统的动力特性分析模型;最后,采用数值方法实现了对上述多个模型的求解,获得了典型工况条件下的涡轮泵系统动力学行为演变规律。结果表明组合密封导致系统对临界特性影响较小,能导致瞬态响应增加和失稳转速降低。     

减压阀振动工程分析

姿态控制系统减压阀采用收缩喷嘴节流结构进行减压过程中,产生压力脉动,可能诱发调节系统低频或高频振动。调节系统的低频或高频振动进一步可能产生共振,引起减压阀失效。分析认为采用控制激振因素、控制系统固有频率、消减压力脉动和消耗振动能量的方法可以控制大幅度的振动。     

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。     

两条流体力传递途径下涡轮泵壳体振动特性

液体火箭发动机涡轮泵内非定常流体力主要通过流体—壳体以及流体—转子—支承—壳体两条传递途径激励壳体发生振动,对发动机的安全可靠性造成威胁。为获得流体激励下涡轮泵壳体振动特性,建立了两条流体力传递途径下涡轮泵壳体振动响应定量预测方法,利用发动机热试车结果对预测方法的精度及可靠性进行了验证。在此基础上获得了不同途径下涡轮泵壳体的振动特性。结果表明:所建立的涡轮泵流体激励壳体振动预测方法能够较好地预测壳体振动响应主导频率及幅值,主频幅值误差小于13.85%;壳体的最大振动能量源自于泵内动静干涉非定常流动与壳体结构之间的相互作用;流体—壳体途径是涡轮泵流体激励壳体振动的主要来源,其引起的壳体振动响应幅值相比流体—转子—支承—壳体传递途径大2个量级以上。     

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子高频自激振动的抑制

磁悬浮控制力矩陀螺（CMG）中转子一阶弹性模态自激振动是影响磁悬浮高速转子系统稳定性的关键因素之一.自激振动通常可以采用陷波器（NF）进行抑制,然而引入NF或改变其参数以及转子转速的变化均会改变模态自激频率,因而难以直接准确地确定NF参数.本文提出一种仿真确定NF参数的方法,通过转子弹性模态缩减建模和模态参数确定得到准确的弹性转子动力学模型,进而采用闭环仿真优化确定NF中心频率和极点阻尼.采用该方法设计的NF有效抑制了转子的高频弹性模态自激振动,使得磁悬浮CMG转子可以稳定升速到24000r/min.实验结果验证了该方法的实用性和有效性.     

航天器预复振响应对比分析研究现状综述

对航天器预复振响应对比分析的研究现状进行了综述。介绍了航天器振动试验中预振和复振试验(简称预复振)结果不一致现象的三种典型表现形式:共振峰漂移、共振峰数量变化和共振峰幅值变化。分析相关试验研究和数值模拟文献,指出边界非线性、材料非线性和结构损伤等因素是造成预复振结果不一致的主要原因。对边界非线性,主要从间隙非线性理论研究和螺栓松动试验验证两方面讨论了边界非线性对预复振不一致的影响,发现结构间隙可造成共振峰漂移,预紧力和阻尼对频率漂移也有影响,而螺栓松动则可改变传力路径和结构导致共振峰漂移。对材料非线性,研究认为蜂窝材料特性随载荷、时间、温度等因素的变化可导致航天器结构特性改变,从而出现频率漂移。对结构损伤,研究发现这会导致航天器结构特性发生不可逆变化而造成预复振试验结果出现差异。针对目前研究以共振峰漂移问题为主,且局限于理论和仿真,尚不能应用于科研实际的现状,根据当前航天发展和工程需要,对振动试验研究的发展提出了建议:推进复杂结构系统的振动响应研究体系建设;完善航天器振动试验评价技术;加强航天器振动试验数据管理系统建设。     

摆动喷管轴向激励对燃烧室压力振荡影响的数值研究

固体火箭发动机工作时,摆动喷管受到伺服力和气动力等载荷的共同作用,在轴向上会产生小幅度的振动,振动频率与燃烧室内腔轴向声频耦合时会造成压力振荡幅值增大,诱发不稳定燃烧,导致燃烧室内压力、燃速不均等情况的出现.应用数值方法研究了摆动喷管轴向激励对燃烧室压力振荡的影响,分析了压力振荡对喷管轴向激励幅值和频率的响应规律,以及...     

空气舵气动力‒脉动压力‒结构耦合响应分析

气动力、脉动压力、结构振动相互作用,组成复杂的多场耦合系统,给动力学分析带来极大的挑战。文章基于PCL和DMAP语言自主研发了气动力–脉动压力–结构耦合响应分析软件,以复合材料空气舵为研究对象,建立其有限元模型,并开展模态分析;进而,建立基于Van Dyke修正活塞理论的气动模型,基于模态法分析了气动力–脉动压力–结构三者耦合的空气舵响应,并与不考虑气动力效应的非耦合结构响应进行对比,探究了气动力耦合效应对空气舵响应的影响规律。结果表明,气动弹性效应能使得空气舵振动响应从随机振动变为发散极限环振荡形式的高阶运动,显著改变脉动压力响应谱。可以预测,结构声疲劳分析中必须考虑气动弹性效应。     

固体火箭发动机燃烧室结构径向振动与内弹道性能的耦合计算

研究了由推进剂药柱和壳体组成的燃烧室结构径向振动对发动机内弹道性能的影响。在一维非定常内弹道方程中,分别考虑了结构径向振动对内弹道方程和燃速的影响,研究了在给定燃烧截面内,由于燃烧室压强变化引起的结构径向振动。据弹性力学理论和振动机理,得到了简化的等效径向振动方程;对内弹道和结构径向振动进行了耦合计算,分析表明当内弹道出现周期性的压强振荡时,会引发与结构径向振动之间的耦合作用,使得燃烧室压强振荡振幅上升一个量级,对发动机的工作安全产生危害。     

Model development and adaptive imbalance vibration control of magnetic suspended system

A system model is developed to describe the translational and rotational motion of an active-magnetic-bearing-suspended rigid rotor of a single-gimbal control moment gyro (SCMG) onboard a rigid satellite. This model closely reflects the motion characteristics of the rotor by considering the dynamic and static imbalance as well as the coupling between the gimbal's and the rotor's motion on a satellite platform. Adaptive autocentering control is strictly constructed for the preceding rotor with unknown dynamic imbalance. The rotor achieves its rotation about the principal axis of inertia by identifying the little rotational angles from the geometric axis to the principal axis and then using the results to tune a stabilizing controller, which is composed of a decentralized PD controller with cross-axis proportional gains and high-pass and low-pass filters. The main disturbance in the wheel spinning can thereby be completely removed and the vibration acting on the satellite can be attenuated.     

多维虚拟振动试验系统设计及应用

虚拟振动试验能在产品设计阶段对其进行结构动力学分析和振动环境预评估,缩短产品研制周期,节省研制费用.本文完成了振动台机电耦合建模、刚体建模、试件有限元建模和闭环控制系统设计,建立了三维虚拟振动试验系统,开展了一维和三维正弦扫描虚拟振动试验技术研究.仿真结果表明：振动台机电耦合模型的频率特性与实际振动台的试验数据吻合;激振方向会对试件的加速度响应产生显著影响;与一维振动试验结果相比,多维虚拟振动试验不仅能明显提高故障激发效率,而且可以激发试件的高阶局部模态,使其高频段内的最大动应力曲线出现多个较高峰值且幅值增幅明显.     

涡轮泵滚动轴承-转子系统高速运行试验研究

针对涡轮泵转子的具体结构特点,解决了高速运行试验过程中的支承、驱动、轴承润滑冷却、振动测量、转子高速动平衡及轴向力加载控制等问题。结合旋转机械故障诊断技术,提出了高速动平衡效率、转子支承状态及轴向力加载状态的优化方法,并在试验过程中对该优化方法进行了验证,实现了涡轮泵转子的高速稳定运行。结果表明:涡轮泵转子高速运行试验应采用刚性连接的柔性联轴器;涡轮泵转子高速轴承需采用高压直喷式供油;通过平衡效率优化可将非线性振动影响下的转子一次平衡效率由30%提高至73.7%;为避免高速运行时产生基础松动,试验中滚动轴承外环应采用紧配合安装;轴向力应沿轴承周向均匀加载,其大小应根据轴承-转子系统具体结构及运行状态综合分析确定。     

火箭发动机涡轮盘模态影响因素与振动安全性分析

涡轮盘结构模态特性及振动安全性是对其进行动力学设计的基础。首先,在模态试验的基础上,建立了准确的涡轮盘结构动力学模型;其次,开展多物理场作用下涡轮盘结构模态分析,研究轮盘工作时温度场、应力场及其耦合效应对模态特性的影响规律;最后,对轮盘振动安全性进行评价,给出其振动安全裕度。研究表明,离心力的旋转“刚化”作用使得模态频率升高,温度效应引起结构刚度减小使得频率降低,气动力引起结构“软化”使得频率下降;在力热综合作用下,对前6阶模态频率影响程度的大小顺序依次是转速、与温度相关的弹性模量、热应力及气动力,且气动力的影响可以忽略不计;力热载荷影响模态频率,但不影响模态振型;涡轮燃气激励起轮盘结构低阶节径模态行波耦合共振的可能性较小。     

Vibration and pulsation processes in feed systems of liquid rocket engines

Pulsation and vibration process in high speed centrifugal pumps and feed lines were investigated. Linear and quadratic relations between pulsation parameters and main factors were obtained. The investigation of turbopump low frequency oscillations showed that the intensity of pulsations is proportional to the pump specific linear size. Linear mathematic models with lumped parameters fairly well demonstrate the vibration influence on low frequency flow pressure vibrations in pumps and feed lines. It is shown that, in some conditions, the pressure oscillation amplitude distribution by the vibrating feed lines length may be characterized by the presence of a node in an intermediate section. A one-dimensional mathematic model based on wave equations proved to be suitable for calculations of vibration and pulsation parameters within a wide frequency range.     

振动对安全发火机构性能影响的研究

通过对安全发火机构的随机振动响应分析得出，振动条件下产品出现的安全、工作状态转换失效等一系列故障与机构高频共振密切相关。为解决出现的问题，对产品内部结构设计进行了改进；并为机构增加了减振器，从而使机构上振动强度从标准水平的数倍降低到标准水平的40％以下，振动试验结果表明，机构高频共振问题得到解决，给机构功能带来致命影响的故障不再出现，其可靠性较原来水平有了很大提高。     

一箭多星发射的卫星振动环境分析与验证

某卫星采用一箭多星方式直接发射入轨,在星箭耦合分析中发现星箭界面部分频点振动环境明显高于原设计要求,导致卫星可能需要采取改进设计以满足该变化。为进一步明确卫星的环境适应性,文章首先针对超限频点开展刚度匹配分析和响应分析,识别可能存在的风险,并对识别出的服务舱+Y板采取改进措施;其次,开展整星动力学分析、星箭耦合分析,分析验证卫星及其组件的适应性,并提出了改进的地面试验条件,结果表明地面试验能够包络星箭耦合分析结果,试验是充分的;最后,通过飞行试验验证,证明地面试验能够包络在轨飞行振动环境,采取的分析验证和试验验证是可行的。该研究方法及所取得的结论可为解决后续卫星研制过程中类似问题提供参考。