高壓多氫渦輪泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方案與試驗(yàn)研究報(bào)告

1、高壓多氫渦輪泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方案與試驗(yàn)研究報(bào)告高壓多級(jí)氫渦輪泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究夏德新(北京液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，北京，100076>摘要轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氫渦輪泵研制中最復(fù)雜的 問(wèn)題之一。為了保證高速轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定工作，必須對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行多方 面的研究和實(shí)驗(yàn)。介紹了在高壓多級(jí)氫渦輪泵研制過(guò)程中轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究等內(nèi)容。關(guān)鍵詞渦輪泵，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子，動(dòng)力學(xué)。Design and Experimental Study on Rotor Dynamics of High PressureMultistage LH2 TurbopumpXia Dexin

2、(Beijing Institute of Liquid Rocket Engine,Beijing,100076>Abstract The problem of the rotor dynamics is one of the most complex problems in research of LOX/LH2 engine LH2 turbopump. To guarantee the stability of rotor, experimental research on rotor dynamics is necessary. This paper introduces st

3、ructural design of rotor, computation of critical speed and experimental study on rotor dyna mics of high pressure multistage LH2 turbopump.Key Words Turbopump, Hydrogen oxygen engine,Rotor,Dynamics.1引言國(guó)內(nèi)外研制經(jīng)驗(yàn)表明，高壓多級(jí)氫渦輪泵是氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中技 術(shù)最復(fù)雜、難度最大的組件。氫渦輪泵的最大特點(diǎn)是其轉(zhuǎn)子為高 轉(zhuǎn)速的柔性轉(zhuǎn)子，工作在二、三階臨界轉(zhuǎn)速之間。在以往氫渦輪 泵的研制過(guò)程中都出現(xiàn)過(guò)轉(zhuǎn)子

4、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在美國(guó)航天飛機(jī)主發(fā) 動(dòng)機(jī)（SSME環(huán)口日本的LE-7發(fā)動(dòng)機(jī)的氫渦輪泵中，也都出現(xiàn)過(guò)轉(zhuǎn)子 的失穩(wěn)問(wèn)題。在氫渦輪泵的研制過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是 一個(gè)非常敏感和復(fù)雜的問(wèn)題，它所涉及的因素很多，需要仔細(xì)地 加以研究和分析。因此對(duì)氫渦輪泵進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研 究，是十分必要的。此項(xiàng)工作已是國(guó)外大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò) 程中不可缺少的一項(xiàng)。2氫渦輪泵轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在氫渦輪泵中，由于液氫的密度很低，氫泵的揚(yáng)程很高，為 了提高其效率并保證強(qiáng)度的需要，應(yīng)采用多級(jí)泵并提高其轉(zhuǎn)速。這使氫渦輪泵轉(zhuǎn)子向柔軸發(fā)展。而補(bǔ)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪一般為大 流量低壓比的渦輪，為了提高其效率往往采用兩

5、級(jí)反力式。這樣 就增加了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并帶來(lái)了附加軸向力，這都對(duì)轉(zhuǎn)子 的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)中，借鑒了美國(guó)SSME氫渦輪泵、俄羅斯 P入0120氫渦輪泵、日本 LE-7氫渦輪泵、法國(guó) HM-60氫渦輪泵及中 國(guó)氫渦輪泵等多種型號(hào)的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)的研制經(jīng) 驗(yàn)，在大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的氫渦輪泵中極易出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定的現(xiàn) 象，這是由氫渦輪泵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和其惡劣的工作條件造成的， 轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速一般都在二階臨界轉(zhuǎn)速以上。針對(duì)這一特點(diǎn)，高 壓多級(jí)氫渦輪泵轉(zhuǎn)子（見圖1要按柔性轉(zhuǎn)子的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此 采用了以下幾項(xiàng)措施：圖1氫渦輪泵轉(zhuǎn)子1一彈性支承；2渦輪盤；3一泵葉輪；4誘導(dǎo)輪；

6、5一阻尼器a采用雙列軸承及在每列軸承中間加預(yù)載的方式，有助于提高軸承的支承能力。b由于氫渦輪泵在二、三階臨界轉(zhuǎn)速之間工作，因此，為了保證其從啟動(dòng)到關(guān)機(jī)的整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)能夠穩(wěn)定地工作，在渦輪端和泵端都采用了具有阻尼特性的彈性支承結(jié)構(gòu)，即在鼠籠式彈性支承內(nèi)加入金屬橡膠阻尼器。轉(zhuǎn)子的支承剛度由鼠籠、軸承和阻尼器的組合剛度確定。同時(shí)，金屬橡膠阻尼器具有很大的阻尼 作用，既能夠減小轉(zhuǎn)子的振幅，也能夠減輕軸承的載荷，從而較好地保證轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。具有彈性減振支承的轉(zhuǎn)子振幅頻率特性可按下式估算：Ay - (1)(:且d) + 癡一"u m式中S-工作轉(zhuǎn)速；3 k-臨界轉(zhuǎn)速；a-阻尼特性系數(shù)；e-偏心量；m-計(jì)算質(zhì)量。c采用盤軸一體的渦輪轉(zhuǎn)子，即兩級(jí)渦輪盤與軸經(jīng)過(guò)長(zhǎng)螺栓組成不可拆卸的整體結(jié)構(gòu)。這樣可使渦輪泵轉(zhuǎn)子具有較