航天飞机主发动机液氧泵高同步振动问题

有效地解决推进系统发动机研制中出现的问题是航天系统成功的关键。航天飞机主发动机(SSME)研制阶段改型的液氧泵出现了一些问题使计划遇到麻烦,需特别注意解决。其中高同步振动问题最为严重,要求政府承包商协同预以解决。本文介绍研究方法(故障树逻辑法)、轴承转子动力系统的复杂性,问题及其解决措施。     

对航天飞机主发动机高压燃料涡轮试件进出口径向和周向流动的测试研究

在液体火箭发动机涡轮的热试过程中,由于工作条件极端恶劣,要进行细致的流场测量是不可能的。但是,这些测量参数对于了解涡轮中复杂的流动又非常重要。马歇尔太空飞行中心(MSFC)采用全尺寸的发动机涡轮在等效的空气条件下进行了流场参数测量,用三孔眼睛蛇型探头、热膜探头和激光多普勒速度仪测量了航天飞机主发动机高压燃料涡轮进出口气流的速度分布、湍流强度以及附面层厚度,并用这些参数来完善计算流体力学的分析模型,进一步提高涡轮设计水平。本文还根据设计工况的一例试验结果对所使用的设备和测量方法进行了评述。     

长征系列发动机涡轮泵的研制概况

本文仅就长征系列火箭发动机涡轮泵的关键项目研制进行阐述,介绍了涡轮泵不断改进和日益成熟的研制历史,总结了研制中的经验与教训。     

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.     

高速涡轮泵的箔片轴承技术

低温箔片轴承技术已经在液氧和液氢涡轮泵中得到了使用。低温箔片轴承提高了涡轮泵的可靠性并降低了费用。液氢和液氧涡轮泵箔片轴承的主要技术已经由 NASA 路易斯研究中心、马歇尔飞行中心和麦道公司进行了试验验证。箔片轴承在液压和液氢中以高的负荷量和宽的转子动态范围内进行了100多次起动/停车试验,总试验时间有好几个小时,箔片轴承液氢涡轮泵和箔片轴承液氧涡轮泵都已进行了验证试验。他们的试验结果表明:箔片轴承稳定性好,可靠性高,可调节范围宽,需要的冷却流量小,箔片轴承涡轮泵可靠性高,而且费用低。     

液氧涡轮泵液体箔轴承的材料相容性评估

广泛应用于航天领域的滚动轴承,通常是制约装置寿命的主要元件。在低温应用中,箔轴承作为取代滚动轴承的替代品,看来是有前途的。由于在液氧环境中,从未有过如此尝试,在NASA 的怀待寿命试验室(后简称为 WSTF)的热摩擦试验系统上,进行了三个阶段的试验,以评估三种选用的箔轴承箔片的材料,在液氧中发火的危险性。该三种选择物均以铬镍铁合金为基层、聚合物为镀膜的结构。镀膜材料如下:Teflon S 聚酰亚胺和氟、石墨的耦合物(PBGF)、Teflon。在此之外,还有一种以银作镀层的材料也在试验之列。热摩擦试验分三个阶段进行。第一阶段,在液氧中模仿轴承启动与停止瞬间不可避免发生的摩擦过程。该阶段试验结果表明 Teflous 是最耐磨的箔片涂层材料,其次是 PBGF。第二阶段试验是在气氧中进行的,它模拟在液氧不足情况下所发生的摩擦,并且取得工作安全裕度的数据。该阶段试验结果显示出所有试验中的镀层材料,在发生燃烧之前就已磨损耗尽。第三阶段试验采用真正的箔轴承在液氧中工作,模拟轴承的启动过程。在这一测试中,TeflonS 作为主试涂层,PBGF 作为第二涂层。每种涂层都分别用弯曲型和平直型两种箔片结构形式作了试验。结果表明两种涂层都没有着火。     

基于风险评估的航天飞机主发动机红线管理策略

本文以航天飞机主发动机为研究对象,运用定量风险评估技术建立了发动机的风险模型,通过对发动机失效的随机分布进行研究,确定了发动机出现故障时的红线管理策略。     

航天飞机主发动机涡轮机械轴承的可靠性分析

本文讨论航天飞机主发动机(SSME)氧化剂与燃料涡轮轴承的可靠性分析。由于采用低粘度的低温流体来冷却轴承,轴承缺乏充分的润滑,这样导致轴承的预期寿命值少于设计要求的27000s。为改进没计,减少与轴承失效相关的风险,我们对轴承设计及轴承工作参数作了深入的评估研究。在决定性的轴承分析子程序中,我们应用了蒙特卡罗(Monte Carlo)估算方法来估算涡轮轴承系统可靠性曲线、概率密度曲线以及确定独立输入设计变量对系统寿命的相对影响。对于蒙特卡罗分析方法我们通过一些表明可靠性变化的例子,以及通过在热测试之前对改进的新设计方案的系统可靠性所进行的估算作了说明。     

可重复使用火箭发动机涡轮泵的关键技术

近来,有关空间运输与研究可重复使用火箭各种需求的增加,世界各国正致力于降低费用与提高可靠性的工作。在美国,研制可重复使用火箭“冒险号”以替代航天飞机,其二分之一缩尺模型“X-33”计划1999年进行第一次飞行。在日本,计划研制可重复使用火箭(RLV)的主要依据是建立在 H-2A 火箭技术之上,在研制空天飞机型 RLV 前,先研制 HOPE-X。计划研制的可重复使用火箭发动机是采用液氢/液氧、推力980.665～1961.33kN,并具有调节能力的发动机。发动机(包括液氢/液氧涡轮泵)的其他要求是工作寿命长,可靠性高。本文就可重复使用涡轮泵提出了一些关键技术。     

航天飞机主发动机主要工况验证试验

在1995年8月至1996年5月间,利用技术试验基础(TTB)发动机实施了航天飞机主发动机(SSME)试验计划。对单级入轨火箭的研究表明,扩大推进系统的工作范围可显著降低火箭重量和成本。该试验计划证明,SSME 能在很宽的工作范围内安全工作,因此可用于单级入轨任务。共完成了八项试验,其中四项是在马歇尔航天飞行中心(MSFC)先进的发动机试验台上完成的,另外四项在斯特尼斯航天中心(SSC)A—2高空试验台上完成。主要试验项目有:1)发动机混合比在5.4～6.9之间的主级工况;2)在显著降低发动机入口压力(液氧为0.34MPa,燃料为0.26MPa)下的额定起动性能;3)在额定功率(RPL)的17%,22%,27%,40%,45%和50%下的低功率工况。采用高度仪表化的 TTB 发动机能够详细研究发动机系统的工作情况,这是标准的 SSME 所不能完成的,而且对更深入地了解SSME 和一般液体火箭发动机的能力起到了重要作用。     

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。     

轴承位置对涡轮泵转子系统稳定性的影响研究

针对低温液体火箭发动机涡轮泵转子非线性系统开展了轴承位置对稳定性的影响研究。建立了涡轮泵转子非线性系统的动力学模型,分别研究了理想安装时和非理想安装条件下泵端和涡轮端轴承位置变化对转子系统稳定性的影响,给出了失稳转速随轴向位置的变化规律,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。     

发动机涡轮泵流体动静压轴承应用分析

针对液体火箭发动机涡轮泵特殊工作环境,讨论了流体动静压轴承可采用的结构形式和需要解决的关键技术。提出了径向轴承宜采用腔式结构,止推轴承宜采用螺旋槽或瓦块结构;并针对液氧涡轮泵动静压轴承提出了研究需要解决的关键技术。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

液体火箭发动机涡轮泵系统多次启动的试验研究

为研制空间或高超声速机动飞行器的高空或空间多次点火启动工作推进系统,根据确定的推进系统主要技术要求,对长征火箭上面级发动机涡轮泵系统作适应性改进,进行了多次启动试验。试验结果表明,系统各次启动、稳态工作和关机正常,性能稳定,无漏液和漏水,试验参数匹配协调,并与理论分析结果一致。本文的改进方案可行。     

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。