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。     

考虑密封耦合效应的涡轮泵转子动力学特性

液体火箭发动机涡轮泵中,环形小间隙密封引入的刚度、阻尼系数会随转子运行转速发生变化,体现为弱耦合效应,进而对转子系统的动力学特性产生影响。为获得密封耦合效应对涡轮泵转子系统动力学特性的影响,基于有限单元法及矩阵运算方法推导了转子—密封耦合系统动力学方程,提出了考虑密封动力学系数随涡轮泵运行工况变化的耦合计算方法,获得了...     

涡轮泵转子失稳故障分析

轴套结构作为液体火箭发动机涡轮泵中典型结构,在其高速运转的过程中,存在着振动失稳的风险,因此需要分析轴套结构失稳的原因。建立了轴套结构内摩擦的动力学模型,推导了轴套结构内摩擦力的表达式,解释了带轴套结构的转子失稳机理,仿真得到了带轴套转子发生内摩擦失稳的振动特征,探讨了各影响因素对失稳门槛转速及失稳振动特性的影响规律,开展了实验验证,并给出了带轴套结构的转子稳定性设计建议。通过上述研究,发现转轴跨距、轴套半径、转轴刚度、偏心距和轴套与轴之间的间隙等因素是引发失稳的关键参数,需在设计与装配的过程中进行稳定性校核。获得的影响因素对失稳振动的影响规律,能够为具有类似结构的转子稳定性设计提供技术支撑。     

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。     

配合间隙对涡轮泵转子低速动平衡的影响研究

刚性涡轮泵转子低速动平衡是装配过程中的重要环节,残余不平衡量的大小是转子振动的关键影响因素之一,也是影响涡轮泵可靠性的重要因素。在某型发动机涡轮泵研制过程中,出现试车分解后不平衡量较装配时增加10~20倍的情况。对该涡轮泵转子建立了装配间隙对动平衡影响程度的理论模型,研究了不同零件的偏心距以及配合间隙对转子残余不平衡量的影响程度。根据影响程度对比,可以确定需要严格控制装配状态和单独动平衡的零件。通过反复拆装动平衡测试试验,对理论模型进行了验证。     

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。     

涡轮泵准刚性转子的临界转速识别

以Jeffcott转子为对象,从理论上介绍了重力副临界现象。在转轴有限元模型及轴承支承刚度修正的基础上,对某大推力补燃循环液体火箭发动机涡轮泵转子的前两阶临界转速和振型进行了仿真分析。通过高速运行试验,借助重力副临界识别出了转子的前两阶临界转速,并与全转速运行的识别结果及仿真结果进行了对比,1、2阶临界转速识别结果误差分别小于4.74%和6.74%。结果表明,高速运行时角接触轴承滚动体接触状态的轻微变化会引起支承刚度及转子系统动态响应发生变化,导致转子的运行状态波动,因此难以通过全转速范围内的响应数据来精确识别转子的临界转速;低速下滚动轴承—转子系统的运行稳定性较好,采用重力副临界方法通过低速下的运行数据进行转子临界转速的识别(尤其是1阶临界转速识别)具有足够的精度。     

带冠弯扭涡轮叶盘电火花加工电极的设计与制造

成型电极设计与制造是带冠整体涡轮叶盘电火花加工的关键技术之一。以自主开发的整体涡轮叶盘电火花加工专用CAD/CAM系统TBCam和UGIINX作为辅助工具,详细介绍了某型号涡轮发动机带冠弯扭涡轮叶盘电火花加工电极的设计过程和制造工艺。其中,电极设计包括弯扭叶片的三维实体造型、弯扭叶盘的整体造型、电极型面的设计和电极零件的后处理等;制造工艺部分详述了电极线切割加工和数控铣削加工的完整工艺过程。     

弯扭耦合效应对纤维复合材料对称角铺设矩形弯曲影响研究

应用给出的各向异性板结构横向弯曲一般解析解对承受均布载荷的纤维增强对称角铺设复合矩形进行弯扭耦合效应分析，文中针对四边简支方板进行计算，分别选取5种复合材料进行分析，分别在考虑D16，D26及忽略D16，D26情况下计算板中心最大弯短，挠度，以比较D16，D26对板弯曲线状态的影响，讨论了铺设角，铺设层数N对板挠度，最大弯矩的影响，对于简支方板，铺设角为45°时板挠度，最小弯矩最小，而0°时的方法挠度，弯矩均为最大，在相同厚度下，铺设层数越多，挠度，弯矩越小，弯扭耦合效应增大板挠度，最大弯矩，当铺设层数N大于9时，挠度计算可忽略弯扭刚度影响，但计算弯矩内力要带来20％相对误差。计算弯矩内力不能轻易忽略弯扭刚度。     

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。     

配合间隙对同轴线对开双喷管结构轨控发动机性能的影响

所描述的轨控发动机采用同轴线对开双喷管结构设计,通过对不同工况、不同间隙条件下轨控发动机的流场进行数值模拟,得到了间隙对发动机燃烧室压强、推力等性能参数的影响规律。研究结果表明,当轨控发动机的转子配合间隙不断减小时,推力调节室总压随之不断增大,质量流率不断减小,发动机的推力调节特性变优。     

复合喷管结构温度场流固耦合仿真分析

为了评估复合喷管热防护性能以及获取喷管烧蚀和结构应力分析的工况条件,运用Fluent流体动力学软件,对复合喷管的结构温度场进行了数值仿真。分析中,采用了两方程RNG k?ω湍流模型和增强型壁面函数,利用流固耦合的计算方法,获得了喷管结构瞬态温度场的计算结果,重点分析了结构温度场最终分布状态和初期传播特点,以及喉衬温度随时间的变化规律,估算了喉衬的烧蚀。分析结果表明,喷管结构热防护性能满足要求,温度最高区域位于喷管收敛段中后部,喉衬线烧蚀量约为2．1 mm,为喷管结构进一步优化设计提供了重要参考依据。     

Analysis and experiment of eddy current loss in Homopolar magnetic bearings with laminated rotor cores

This paper analyses the eddy current loss in Homopolar magnetic bearings with laminated rotor cores produced by the high speed rotation in order to reduce the power loss for the aerospace applications. The analytical model of rotational power loss is proposed in Homopolar magnetic bearings with laminated rotor cores considering the magnetic circuit difference between Homopolar and Heteropolar magnetic bearings. Therefore, the eddy current power loss can be calculated accurately using the analytical model by magnetic field solutions according to the distribution of magnetic fields around the pole surface and boundary conditions at the surface of the rotor cores. The measurement method of rotational power loss in Homopolar magnetic bearing is proposed, and the results of the theoretical analysis are verified by experiments in the prototype MSCMG. The experimental results show the correctness of calculation results.     

某滑动轴承-转子系统次同步失稳机理分析及试验研究

通过简化的轴承转子系统模型,分析了次同步失稳机理,给出了次同步失稳解决方案。在试验台架上进行了5叶可倾瓦滑动轴承支承的柔性转子系统运转试验,当工作转速处于2和3阶临界转速之间时,观察到了明显的次同步失稳现象,获得了失稳门槛转速,分析得出轴承中环形流体周向平均速度系数。通过修改转子结构,提高低阶横向弯曲临界转速,有效消除了次同步失稳,实现了试验转子的超高速稳定运行。     

AMESim软件在液体火箭发动机系统动态仿真上的应用

根据模块化建模思想和通用仿真要求,利用AMESim中的AMESet平台二次开发出了发动机系统通用仿真模块库,并对不同类型发动机系统的动态特性进行了仿真.研究结果表明,建模过程简单明了,操作性及通用性强.通过计算结果与试车曲线对比,验证了所采用仿真方法的合理性和正确性.所做的工作为今后液体火箭发动机通用仿真研究打下了良好...     

氙离子推力器束流分布特性研究

建立了离子推力器束流分布的高斯模型,以200mm氙离子推力器为例,在不同工作环境下对推力器束流分布进行了数值模拟,并通过试验测量了推力器引出切面不同位置(轴向z=50mm,z=100mm)下的径向束电流密度和束离子密度分布。通过对数值模拟结果与试验测量结果的比较,误差为17%,认为数值模拟结果与试验测量结果吻合较好。表明离子推力器引出束流呈轴对称分布,在推力器出口附近,束离子密度很大,越往下游,密度越小且束流出现发散。     

层板发汗冷却推力室传热分析

对于采用层板发汗冷却的推力室,为了最大限度地减少冷却剂流量,理想情况是,应根据不同轴向位置的受热情况来分配冷却剂流量,以使各处的壁面温度都控制在材料的许用温度内.本文运用有限体积法,对层板发汗冷却推力室内的燃气流动和壁面内的传热进行了数值模拟,同时通过调节冷却剂吹风比,使各处的壁面温度都控制在材料的许用温度之内.为综合...     

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.     

带网状筋壁板弯曲中性层近似计算方法

文章针对空间站大型密封舱结构对整体壁板弯曲展开尺寸精度有较高的要求,应用塑性弯曲理论及假设,对带网状筋壁板的塑性弯曲过程进行了分析,并通过简化计算确定了壁板弯曲过程中展开中性层与壁板内表面的距离,又根据中性层位置确定了壁板的精确展开长度。经过与弯曲试验数据的对比,表明该简化算法的精度能够满足产品尺寸精度,为相似结构的展开计算提供了依据。     

气氧／甲烷同轴剪切喷注器燃烧特性数值模拟

对以气氧／甲烷为推进剂的同轴剪切喷注器进行了数值模拟,研究了喷注器设计参数对推进剂掺混燃烧、燃烧室壁面和喷注面板热载的影响。研究结果表明：氧喷注速度增大不利于推进剂的掺混燃烧,降低了燃烧效率,增大了燃烧室壁面和喷注面板的热载：动量比增大提高了推进剂的燃烧效率,缩短了燃烧距离,但增大了燃烧室壁面和喷注面板的热载;中心氧喷嘴管壁厚和氧喷嘴管的缩进,对燃烧效率有影响,但两者对燃烧室壁面和喷注面板热载影响不明显;对燃烧效率而言,特定情况下氧喷嘴缩进存在一最佳值。