大功率、高转速、高扬程涡轮泵振动分析与减振研究

比功率和能量密度都很高的火箭发动机涡轮泵,工作时引起振动的基本原因之一是较大的损失功作用在质量较小的产品上,减振必须是以提高组件的效率降低其振动比载荷为首选措施,同时改变其刚度与强度。组件中动、静件叶片之间的能量转换是引起流体压力脉动的主要原因,避免压力脉动的频率与转子转动的倍频耦合,特别是较低的倍频,是降低产品耦合振动的关键。流体密封间隙内的激振力对产品振动的影响很复杂,但激振力的主频与转子的某一固有频率接近时,将会对转子激起很大的振动,改变密封间隙内流体激振力的频率是抑制流—固耦合振动的主要方向。     

某液体火箭发动机涡轮泵球轴承故障机理及改进方案(已撤稿）

针对某型号液体火箭发动机涡轮泵球轴承在试验过程中出现的故障,在进行轴承故障机理分析的基础上,对轴承关键结构参数进行了改进,使用滚动轴承动力学分析软件SARB(simulation and analysis of rolling bearings)对比分析了改进前后轴承的接触应力、接触角、旋滚比、保持架打滑率和质心轨迹等性能参数,并通过试验手段验证轴承改进方案和动力学分析结果的正确性。结果表明:轴承结构参数改进后,内接触角减小,保持架打滑率由10%下降到4%,钢球旋滚比和打滑速度均降低,钢球和保持架运转稳定性均提高。      

深度变推发动机浮动环工作适应性研究

按照我国载人航天登月需求,正在开展多次起动、10%~100%深度变推力80 k N液氧/甲烷发动机关键技术研究。氧涡轮泵作为发动机的核心组件,采用的浮动环密封变工况工作适应性将直接影响到涡轮泵工作的安全性和可靠性。依据发动机系统变推力要求,采用数值计算方法对浮动环密封进行不同推力工况、不同偏心率条件下的浮起力计算,并与一维方法计算的浮起阻力结果进行对比分析,确定全工况范围内一、二级浮动环工作时偏心率介于0.4~0.6之间,浮动环泄漏量约为2.58~39.4 g/s。浮动环在此偏心率范围内工作可靠性高,可以有效地避免浮动环碰磨、崩边,具备大范围变工况工作能力,满足涡轮泵安全性工作和发动机深度变推力工作要求,可以为涡轮泵方案论证及设计提供理论依据。     

航天飞机主发动机高压燃料涡轮泵的故障模式

对航天飞机主发动机(SSME)高压燃料涡轮泵(HPFTP)的故障模式作了归纳总结,深入分析了HPFTP关键部件故障的问题及其解决办法.研究表明:①SSME的HPFTP故障模式与一次性使用液体火箭发动机液氢涡轮泵、航空燃气涡轮的故障模式存在很大的差异;②影响HPFTP寿命的重要故障模式是涡轮叶片的断裂与热防护装置的热机械疲劳故障;涡轮叶片的断裂主要由高温蠕变效应与高速旋转离心力所引起.HPFTP启动、关机瞬态效应对涡轮叶片的影响也很严重,在涡轮叶片寿命预估时必须考虑这些因素;③HPFTP次同步振动问题是SSME HPFTP设计初期面临的一个重要故障模式,主要由轴承与泵级间密封引起的;④启动隔离密封这类HPFTP专有密封件的故障模式也是HPFTP故障模式的重要组成部分.      

泵压式氢/氧液体火箭发动机质量分析

在文献资料研究的基础上,根据泵压式氢/氧液体火箭发动机的实际特点,考虑发动机性能参数及结构尺寸等影响因素,利用理论推导、统计学及面密度等方法建立发动机质量模型。通过对SSME、RD-0120等8台氢/氧发动机质量的计算,验证了质量模型的合理性。为发动机在系统方案论证时,其质量、性能等参数的估算和优化奠定了基础。     

基于CFD的涡轮泵转子密封流体激振研究进展

介绍了密封流体激振对转子稳定性的影响，重点论述了利用计算流体力学(CFD)方法进行密封流体激振研究的理论和试验测量方法，对当前研究中存在的难点、重点问题结合国内外发展情况进行了探讨，提出需要发展通用性更好的非稳态数值方法，并利用流体激振的特性来设计密封结构，改善转子动力特性。     

重复使用液体火箭发动机涡轮泵安全寿命预估方法

利用复杂系统寿命分布模型和故障树分析（FTA）理论建立了涡轮泵的安全寿命预估方法,并以航天飞机主发动机（SSME）高压液氢涡轮泵（HPFTP）的安全寿命预估为例,对该方法进行了说明。研究结果表明：(1)当待考核的HPFTP关键部件数大于10时,其寿命模型可以用指数分布近似表示,数目越多近似结果越可靠;(2)HPFTP的平均无故障工作时间（MTBF）为76 917 h,平均维修时间（MTTR）为8 879 h,0.998 8可靠度对应的安全寿命为25 575 s,可安全使用49次;0.999 6可靠度对应的安全寿命为8 521 s,可安全使用16次;安全使用11次对应的可靠度为0.999 7;(3)HPFTP涡轮叶片和喷嘴对应的关键重要度分别是0.217 5和0.216 6,集液器和叶轮对应的关键重要度都是0.174 2。该研究方法可为液体火箭发动机涡轮泵等复杂组件可重复使用性研究提供一定的参考。     

高工况涡轮泵轴系状态对工作可靠性的影响

对涡轮泵轴系运转时的跳动量及稳定性对产品可靠性的影响进行了研究。通过对不同频率下的轴系跳动量的对比以及对轴心轨迹的研究发现,轴系的整体刚度与主要零件的松脱转速是影响转子系统动力特性稳定的主要因素,轴系的支撑方式和质量分布与转子的振型、径向跳动量密切相关。通过改变轴系状态可以提高转子系统的动力稳定性,减小轴系的径向跳动量,使转子的振型合理,从而提高涡轮泵的可靠性。     

高速低温动静结合型机械密封结构优化及运转试验

在分析高速涡轮泵轴端非接触动静结合型机械密封所处的高速、低温、高压力、低黏度介质润滑等极端工况基础上,发展了考虑密封副固体、被密封流体、弹性补偿支撑单元等在内的热、流、固、力耦合的密封综合性能求解模型。基于此模型,完成了对处在低温、低黏度润滑介质下的机械密封运转性能的分析及关键结构参数的优化,优化的目标为密封承受载荷力W和泄漏量Q为最大及液膜产生的功耗（或温升）较小。以优化后的密封样件开展了低温液氮模拟介质运转试验,考察优化后密封在低温条件下的快速启动特性和摩擦特性。结果表明:低温高速工况下的密封外人字槽和内螺旋槽组合结构的槽数为30、槽深为3μm为一类优化结果,低温运转试验表明正常工作时端面摩擦因数为0.14。