基于EMD-Hilbert包络谱分析的涡轮泵轴承故障特征识别

在火箭发动机涡轮泵高速轴承试验中,轴承的可靠性对保证试验的成功至关重要。针对涡轮泵轴承故障特征难以从原始信号中提取的问题,基于EMD-Hilbert包络解调分析方法,对涡轮泵高速轴承故障特征进行识别。采用EMD方法对原始信号进行自适应分解,获得若干个IMF分量;基于相关性指标最大原则筛选IMF分量进行信号重构;对重构信号进行Hilbert包络解调分析,提取出故障轴承的特征。以某型号涡轮泵低温高速轴承试验的真实故障数据验证本方法的有效性,数据记录了试验装置在阶梯式升速全过程中保持架故障的振动加速度信号。分析结果表明,基于EMD-Hilbert包络解调分析方法能够提高信噪比,最大程度保留保持架故障信息的周期性冲击成分,并能有效提取保持架故障频率、故障倍频及各种调制频率成分,实现对涡轮泵高速轴承故障的有效识别。为深度解析轴承保持架故障情况,结合系统11种运行状态,提出了一种轴承渐进劣化全过程的解析方法,确定出轴承故障早期人为干预的具体时刻。     

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。     

火箭涡轮泵机械密封研究综述

机械密封作为一种适合在苛刻工况下使用的轴封形式,在火箭各类涡轮泵中得到了广泛应用。涡轮泵的特殊性给机械密封的应用带来了一系列问题。对火箭涡轮泵机械密封方面的研究概况进行简述。首先从高速旋转轴系中的机械密封动力学方面,介绍了高速工况下轴系与机械密封的耦合关系和机械密封主动控制的尝试;然后对火箭涡轮泵机械密封中的摩擦磨损与润滑问题进行了介绍,涉及高速摩擦磨损下的可靠性、热力耦合与变形问题、材料配副、流体膜形成机理与端面几何特征优化等各方面问题;最后介绍了涡轮泵带压长期贮存的工作特点造成的静态慢渗问题。     

基于小波分析的氢涡轮泵低温轴承保持架故障特征辨识

提出了小波分析与短时傅立叶分析相结合的方法来分析处理滚动轴承的振动信号,提取对应于轴承保持架的特定频率成分有助于准确地判断轴承保持架的健康状况.研究结果表明,在氢涡轮泵低温轴承保持架故障特征辨识中,综合利用小波分析与短时傅立叶分析能够更形象、更直观地识别出特定的频率成分.     

用于火箭发动机的超高速低温滚珠轴承

超高速混合陶瓷滚珠轴承转速120000r/min，DN值达到300万。根据日本航空航天技术研究所（NAL）报道，未来的航天飞机将使用重复型发动机。用既小型轻量又性能良好的重复型火箭发动机，使得向燃烧器提供液氢（253℃）液氧（183℃）的超低温推进剂涡轮泵变得高速化。目前的多级式火箭的上面级火箭发动机其重量、性能对发射卫星的有效负荷影响很大，因此，转速100000r/min级的涡轮泵比较适宜，超高速涡轮泵的研究开发在世界上处于领先地位。 航空航天技术研究所(NAL)采用快速冷却的外环导向方式，开发了用氮化硅陶瓷滚珠这样一种混合陶瓷…     

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。     

长征系列火箭飞行试验发动机涡轮泵转速遥测精度分析

以CZ-2C/FP为例,对长征系列火箭大发动机涡轮泵转速遥测及判读方法进行了分析.通过分析认为,现用的发动机涡轮泵转速遥测及判读方法存在较大误差,在发动机额定工作转速(10500r/min)附近,误差可达187r/min.同时分析了转速遥测值的离散化问题,通过分析认为,转速遥测值只能在若干个间距较大的特定的离散点上取值,并且不能反映发动机转速在工作过程中的动态变化情况.在理论分析的基础上,对发动机涡轮泵转速遥测值的一些经常出现的现象进行了解释.     

涡轮泵叶轮/转子配合间隙对稳定性的影响

涡轮泵是液体火箭发动机的动力核心部件.涡轮泵工作时叶轮等组件随转子系统高速运转,其松脱转速是影响涡轮泵转子系统动力稳定性的主要因素.而确保涡轮或叶轮内径与转轴外径之间的工艺配合尺寸设计的合理性,就能够将松脱转速控制在安全范围内.以某涡轮泵为研究对象,分析了高速运转时涡轮、叶轮过盈量大小对转子运行状态的影响规律.同时,给出了最小松脱转速下设计过盈量的大小,并在理论分析的基础上进行了试验验证.     

液体火箭发动机“热泵”起动研究

多次起动泵压式液体火箭发动机存在"热泵"起动故障,主要原因是发动机再次起动时,泵部件的温度过高引起推进剂气化,导致推进剂增压泵不能够正常建压。因此提出一种"热泵"起动故障的解决方案:在发动机系统上增设排空系统和排放系统,降低泵部件的温度及泵腔的含气率;在涡轮和泵之间增加隔热结构,减少它们之间的热量传递;对发动机再次起动的时序进行调整。该方案结合某型多次起动泵压式上面级发动机试验验证,"热泵"起动故障圆满解决。最后通过对不同试验结果和高空环境仿真结果的对比,验证了该方法的正确性,能够提高发动机再次起动的可靠性。     

某发动机涡轮泵转子高温超速/疲劳试验研究

涡轮转子是输送液氢/液氧推进剂的关键组件,其运行状态的好坏将直接影响发动机的性能和可靠性。超速/疲劳试验是转子质量控制、极限强度考核的一种试验方法。针对某发动机涡轮转子开展了高温超速/疲劳试验研究,首先研究了试验用转接器的设计方法,然后基于有限元方法建立了某液体火箭发动机涡轮泵转子高温超速试验的有限元模型,研究了温度对涡轮泵转子振型及临界转速等动特性的影响,分析了转子启动升速过程中常温和高温的振动幅值与支撑应力变化规律。在理论研究基础上开展了转子高温超速/疲劳试验研究,分析了高温状态下涡轮泵转子系统启动升速过程振动幅值的变化规律,研究了温度对涡轮泵转子超速动特性的影响规律。     

发动机供应系统中汽蚀管自激振荡特性试验

为研究汽蚀管在火箭发动机供应系统中的自激振荡特性,采用全尺寸的发动机泵后供应系统,并模拟供应系统在发动机中的边界条件,开展了汽蚀管动态液流试验。在不同的汽蚀管相对压力损失下,获得了不同位置处的压力振荡数据。试验结果表明,当汽蚀管处于汽蚀工作状态,汽蚀管下游脉动压力存在220~310 Hz范围的振荡,下游压力的自激振荡对汽蚀管上游系统无明显影响。随着汽蚀管相对压力损失的增大,汽蚀管下游的汽蚀振荡频率减小,汽蚀振荡幅值增大。在汽蚀管与主阀之间,振荡幅值沿流向逐步增大,从主阀至推力室头腔,振荡幅值逐步衰减。当汽蚀裕度过大时,汽蚀管下游出现大幅值的压力脉冲尖峰,并导致导管结构产生高幅值的脉冲形振动响应。     

面向涡轮泵端面密封性能要求的装配工艺研究

通过分析某型号液体火箭发动机涡轮泵端面密封装配质量及泄漏原因,提出一种面向端面密封性能要求的锁紧螺母静压锁紧技术,开发出轴端螺母间歇式递增拧紧的工艺方法。采用接触非线性有限元技术和弹性相互作用理论建立了涡轮泵锁紧螺母连接的有限元模型,研究涡轮泵轴端螺母锁紧方式、拧紧力矩大小与密封性能之间的关系,根据工况载荷下涡轮泵对密封性能的要求反求装配连接拧紧力矩大小。通过对该型号涡轮泵进行工艺试验研究,解决了端面密封泄漏量超差问题,端面密封一次装配成功率由原来的50%提高到90%,验证了该技术方法的可行性。     

大偏心及大扰动下涡轮泵密封转子动力特性

为获得大偏心以及大扰动下涡轮泵浮动环密封的转子动力特性,采用修正的Bulk-Flow模型和CFD准稳态法进行了研究。通过试验数据验证了两种方法的求解精度及可靠性,获得了不同静偏心以及扰动量下密封动特性系数的变化规律。结果表明:修正的Bulk-Flow模型和CFD准稳态法均能较好地预测密封动特性系数,且CFD法具有更高的求解精度;对于高压高转速涡轮泵,浮动环密封引入的刚度与滚动轴承刚度量级相当,其对转子系统动力学特性影响不应忽略;大偏心下密封各动特性系数显著增大,而大扰动下,各系数与扰动量之间呈现出复杂的非线性关系。     

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。     

PATR发动机控制特性和最大状态控制规律分析

为了研究预冷空气涡轮火箭发动机(PATR)的最大状态(最大推力和最大比冲状态)控制规律,建立了PATR的稳态变工况模型,研究了控制量对发动机性能参数的影响特性,给出了在总氢流量一定的前提下,发动机的最优性能状态(推力和比冲同时达到最大)控制规律,在此基础上进一步分别得到了发动机的最大推力状态和最大比冲状态的控制规律,并分别给出了发动机处于最大推力状态和最大比冲状态下的飞行包线。结果表明:当总氢流量一定时,PATR发动机的推力和比冲将随主燃室温度、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积的增加而增大;给定总氢流量下的PATR发动机的最优性能状态控制规律为:核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,此时发动机的推力和比冲同时达到最大,发动机处于最优性能状态;当主燃室温度、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积一定时,推力随总氢流量的增加而增大,比冲与之相反;PATR发动机的最大推力状态控制规律为核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,并要尽可能地增加总氢流量;PATR发动机的最大比冲状态控制规律为核心机余气系数之和等于1、氦涡轮入口温度、尾喷管喉部面积分别取得最大值,并要尽可能地减小总氢流量。     

涡轮泵联动试验调整计算及结果分析

节流圈计算、系统调整计算和涡轮特性分析是涡轮泵联动试验中的三个主要问题。其中调整计算确定了涡轮泵系统的工况,节流圈是工况实现的必要元件,涡轮特性分析是联试的主要目的之一。本文主要论述了发动机涡轮泵联试中这些问题的解决方法和分析程序。     

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.     

为发动机打造强韧之心——中国航天科技集团公司六院11所发动机涡轮泵设计组的故事

他们承担着以载人航天工程、探月工程等为代表的一、二级发动机涡轮泵设计、研制和生产验收工作.他们凭借着敢为人先、敢打硬仗、敢啃硬骨头的执著和拼搏,圆满完成了以空间交会对接为代表的200余台大发动机涡轮泵飞行任务;完成了以上面级动力系统为代表的多个新型号任务,突破了多项涡轮泵关键技术.他们就是中国航天科技集团公司六院1 1所18室一、二级发动机涡轮泵设计组——一支由6人组成的、平均年龄只有30岁的青年团队.     

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。