液体火箭发动机高转速诱导轮旋转空化

诱导轮是提高液体火箭发动机泵抽吸性能的重要部件,而高速诱导轮中出现的旋转空化现象有时会严重影响涡轮泵的正常工作。利用基于Rayleigh-Plesset方程的混合流体模型对某诱导轮2D叶栅中的非定常空化流动进行了计算,模拟了迁移速度比约为1.0~1.4的旋转空化现象,并对其内在机理进行了分析。通过水力实验,利用非稳态信号时-频谱分析技术,捕捉到多种工况下旋转空化的动力学特征,同时观测得到该非定常现象的发生区间和其它特性。     

液体火箭发动机涡轮泵低温空化实验研究进展

涡轮泵是泵压式低温液体火箭发动机的核心部件,素有发动机的心脏之称,其性能提升受空化条件限制。由于低温介质的空化热力学效应,低温空化过程相较于常温水空化更为复杂。首先介绍了低温涡轮泵空化实验系统的理论基础和设计要点,梳理了表征空化热效应的相似准则发展现状。接着详细介绍了目前国际上具有代表性的低温液体火箭发动机涡轮泵空化流动实验系统和相应的代表性研究成果,结果表明以热敏介质替代低温工质开展实验是当前技术发展趋势,但需要控制好不同介质之间的热效应相似换算关系;以先进光学手段和无线数据传输技术为代表的先进测试手段已逐渐被引入空化流场分析中,是值得进一步发展的研究方向。最后对空化热效应理论建模工作进展进行了总结归纳,发现当前的相关工作主要集中在稳态空化性能,针对非稳态特性的理论建模工作进展缓慢,亟待进一步的深入研究。本文可为进一步提升中国泵压式低温液体火箭发动机性能和可靠性提供有意义的参考。     

液体火箭发动机推进剂泵诱导轮与离心轮的匹配

为获得诱导轮离心轮周向匹配的时序效应对离心泵外特性以及压力脉动的影响规律,阐释相关作用机制,采用基于分离涡仿真（DES）的离心泵三维全流道数值仿真方法,引入熵产理论以及压力脉动强度系数等先进分析方法对不同匹配角度下离心泵内能量损失机制及压力脉动特性进行了研究。结果表明：离心轮诱导轮的时序效应对泵外特性有一定的影响,随着匹配角度的增加,扬程和效率均呈现先减小后缓慢增大的趋势,扬程变化为0.8%,效率变化为1.2%,其影响机制由不同匹配角度下叶轮通道分离涡、叶轮叶片尾迹以及靠近隔舌处扩压器通道回流涡变化决定;时序效应对离心轮扩压器动静干涉效应影响显著,当诱导轮叶片尾缘位于离心轮相邻主叶片中间位置时,能够有效消除3倍频成分,显著降低泵内压力脉动水平,其中动静干涉区域以及隔舌处扩压器叶片表面压力脉动平均降幅分别达到14.5%和16.7%。     

高压液体火箭发动机新结构密封

为提高高压液体火箭发动机上密封的工作可靠性,对高压密封的设计结构进行了系统的研究。根据高压密封可靠工作的条件,提出了新结构密封应采用自紧式设计结构的指导思想,并设计了多种新的密封结构。通过对比试验筛选,研制了１２种新的密封设计结构。试验证明：新结构密封工作可靠,性能良好。并已在各型号的发动机上广泛地推广应用。     

基于正交优化设计的诱导轮空化性能研究

为了研究不同结构因素对诱导轮空化性能的影响及主次顺序,基于正交优化设计,采用数值模拟的方法,通过诱导轮可视化试验进行验证,对某型诱导轮及其改型进行了分析。仿真计算得到的不同空化数下空穴形态与实验结果吻合较好,断裂空化数的计算结果与实验结果误差为0.3%。仿真及实验结果表明,诱导轮发生扬程断裂不仅与空穴区占流道体积的大小有关,还与空穴区在流道中分布的位置有关,空穴区位置越靠后,越容易发生扬程断裂;对诱导轮空化性能及水力效率影响最大的结构因素为入口安放角,其次为入口修圆包角;入口等螺距段长度和变螺距段长度较小时可以提高诱导轮的空化性能。     

液体火箭发动机系统故障实时监测算法研究

利用水力系数（ＣＡＤＥ）的性质和现有液体火箭发动机管路系统中压力域流量的测量值，进行适当分段组合，计算出相应的压力和水力系统改变量。并根据实际试车经验确定出相应的根限值。同时使用灰色理论中ＧＭ预测模型对发动机的监测参数进行预测。从而及早分析出发动机所处工况。该算法能尽早地探测出发动机系统中出现的故障，以提供足够的时间对发动机采取措施。     

液体火箭发动机故障诊断中的特征提取

对液体火箭发动机故障的原始特征进行特征提取和选择，以使所建立的故障标准模式由少数几个新特征给予有效的表达。比较了不同原始特征分布矩阵对特征提取结果有效性的影响，并对采用新特征来代表各种故障的效果进行了检验，结果同采用原始特征的效果很接近。     

液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击效应

为研究液体火箭发动机尾焰对发射平台的冲击效应特性,建立液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击数值计算模型.针对液氧/煤油发动机尾焰对发射平台冲击特性,基于建立模型研究了喷管出口距离平台3,5m工况下推进剂流量和复燃对冲击特性的影响,并分析了影响差异及其产生差异的原因.结果表明:尾焰自由射流区的激波膨胀、压缩距离和壁射流区面积随推进剂流量的增大而增大;考虑复燃化学反应不仅改变了自由射流区和滞止区的形状结构,而且增大了壁射流区的面积和温度;复燃和推进剂流量均是通过影响尾焰结构对冲击特性产生影响,具体影响效果与喷管出口和发射平台间距离有关.      

液体火箭发动机稳态故障仿真及分析

建立了液体火箭发动机稳态故障数学模型，编制了实用计算程序。调整方程组中的有关系数的参数，该模型既可用于在正常工况下评定性能参数随干扰因素的随机变化，进行发动机静态特性仿真。又可用于在故障状态下发动机性能参数衰减退化的计算，进行发动机稳态故障效应的仿真。     

液体火箭发动机性能参数的数字仿真

利用液体火箭发动机性能参数和内外干扰因素之间的一组随机非线性方程组，采用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ方法对发动机性能参数进行了模拟。通过计算获得了发动机性能参数的经验分布曲线，得到了它们的统计平均值和置信区间，与设计值相对照，符合得很好。这为火箭发动机的研制、生产、维修和可靠性评估等提供重要参考。     

液体火箭发动机内窥镜检测方法改进

为进一步提高内窥镜在液体火箭发动机的工作内腔、焊缝表面、导管内表面的缺陷及多余物检测效果，采用定性与定量方法对缺陷进行了试验研究。内窥镜检测到的缺陷图像转变为数字图像后，可实现对缺陷尺寸实际大小的判别。该研究方法对其它产品的内部质量状况检测也有一定的参考价值。     

重复使用液体火箭发动机用材料及工艺研究进展

系统梳理了国外几种典型的可重复使用液体火箭发动机用材料及工艺情况,着重介绍了氢氧火箭发动机、液氧/煤油火箭发动机、液氧/甲烷发动机等可重复使用液体火箭发动机的推力室、涡轮泵、喷管等关键构件材料选用及成型工艺情况。分析各种液体火箭发动机性能需求及结构特点,探究关键材料及工艺技术发展趋势,对比国内可重复使用液体火箭发动机材料及工艺研究现状,为后续可重复使用液体火箭发动机材料及工艺技术发展方向提供思路。     

铌钨合金材料在液体火箭发动机上的应用

为探索铌钨合金在液体火箭发动机上的应用，针对我国研制成功的Nb-5W-2Mo-1Zr铌钨合金进行了高温性能试验及抗高温氧化涂层的研制，铌钨合金及涂层在高温时的组织结构分析及相关工艺试验。结果表明：Nb-5W-2Mo-1Zr铌钨合金及抗氧化涂层可用于液体火箭发动机。     

液体火箭发动机中频耦合振荡初步研究

为了研究常规液体火箭发动机研制中出现的中频流量型耦合振荡问题,对发动机耦合系统中各环节建立了满足声学分析的线性化频域模型.通过比较供应系统和燃烧室的幅频响应,并分析耦合系统的自由振荡复频率,以判断发动机的耦合稳定性.计算结果符合发动机试车规律,能够有效地反映该类型不稳定的特征.进一步讨论了燃烧时滞、喷注压降、管路长度和安装节流圈对系统耦合不稳定的影响规律,并揭示了该类型不稳定的机理.     

液体火箭发动机诱导轮旋转汽蚀分析

超同步旋转汽蚀和次同步旋转汽蚀是液体火箭发动机诱导轮旋转汽蚀现象的两种类型。为了揭示它们之间的差异,完成了Tsujimoto旋转汽蚀计算模型的理论求解,开展了旋转汽蚀现象的数值计算。结果表明,旋转汽蚀两种类型发生时,质量流量增益系数M都发生周期性变化。当超同步旋转汽蚀发生时,M>0;而当次同步旋转汽蚀发生时,M值的变化范围更广。由于在设计工况点附近,通常有M>0,因此在多数情况下很难观测到次同步旋转汽蚀。     

水温对空化流动影响的数值研究

为了研究温度升高对翼型表面空化流动的影响,以水为介质,首先对几种现有空化模型的预测能力进行了对比分析,发现Singhal模型能够较准确预测空化区的形状、压力和温度分布。通过添加空化引起的能量源项、耦合介质物性参数与温度关系等方式考虑了热力学效应的影响,并利用现有实验数据充分验证了仿真方法的可靠性,发现考虑热力学效应对压力分布影响较小,但是会导致空化区最大温降减小10%左右。基于建立的仿真方法,对298K～393K温度范围内空化流动进行数值仿真,发现空化区温降随温度升高而增大,但是空化区面积随温度变化在T=353K存在拐点,T353K时,空化区面积随温度升高而增大;而T≥353K时,空化区随温度升高而减小。最后研究了雷诺数变化对空化发展的影响,发现雷诺数增大有一定促进作用,而温度升高同时导致热力学效应增强(抑制空化)和雷诺数增大(促进空化),正是这两种相反作用之间的平衡决定着温度对空化流动的影响。     

液体发动机涡轮泵端面密封长期贮存变形研究

为分析长期贮存条件下液体火箭发动机涡轮泵端面密封变形问题,采用有限元分析软件对其静环组件过盈配合过程中的变形及长期贮存中的蠕变进行了分析计算,考虑静环座与石墨环间摩擦不均匀及二者为椭圆等因素对变形的影响,估算得到最大变形量引起的介质泄漏率。研究表明:长期贮存条件下,石墨环端面沿圆周方向会出现马鞍形变形,径向为内高外低,石墨环变形会引起较大的介质泄漏率,长期贮存条件下的石墨环变形会对液体发动机安全使用构成隐患。     

液膜内冷与辐射外冷发动机室压上限的研究

为了研究液膜内冷和辐射外冷方式小推力火箭发动机室压的设计上限,针对推力为1kN四氧化二氮/一甲基肼火箭发动机,开展了不同室压下发动机推力室构型设计和冷却性能计算。固定液膜冷却剂流量,比较分析了不同推力室室压下气壁温和热流的变化规律。研究发现,在推力和膜冷却流量不变条件下,随着室压的提高,推力室尺寸大幅度减小,热负荷大幅增加,最高气壁温也增加;在选用材料正常工作条件下,存在室压设计上限。     

液体火箭发动机涡轮泵非线性转子系统稳定性影响因素研究

针对低温液体火箭发动机涡轮泵转子非线性系统开展了动力稳定性研究。采用有限元法建立了涡轮泵转子系统的动力学模型,研究了安装偏心对转子密封系统稳定性的影响,给出了失稳转速随安装偏心的变化规律。研究了存在安装偏心时当量密封间隙、轴承支承总刚度及轴向位置对液体火箭发动机涡轮泵转子系统稳定性的影响,分析了失稳转速随当量密封间隙、轴承支承总刚度及轴向位置的变化规律。最后开展了冷吹试验和热试验研究,验证了本文的理论研究结果。本文的研究为液体火箭发动机涡轮泵转子系统结构设计、故障诊断与安装维护提供理论依据。 