高壓多氫渦輪泵轉子動力學方案與試驗研究報告

1、高壓多氫渦輪泵轉子動力學方案與試驗研究報告高壓多級氫渦輪泵轉子動力學設計與實驗研究夏德新(北京液體火箭發(fā)動機研究所，北京，100076>摘要轉子動力學問題是液體火箭發(fā)動機氫渦輪泵研制中最復雜的 問題之一。為了保證高速轉子的穩(wěn)定工作，必須對轉子進行多方 面的研究和實驗。介紹了在高壓多級氫渦輪泵研制過程中轉子的結構設計，臨界轉速計算和轉子動力學的實驗研究等內(nèi)容。關鍵詞渦輪泵，氫氧發(fā)動機，轉子，動力學。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引言國內(nèi)外研制經(jīng)驗表明，高壓多級氫渦輪泵是氫氧發(fā)動機中技 術最復雜、難度最大的組件。氫渦輪泵的最大特點是其轉子為高 轉速的柔性轉子，工作在二、三階臨界轉速之間。在以往氫渦輪 泵的研制過程中都出現(xiàn)過轉子

4、動力學問題。在美國航天飛機主發(fā) 動機（SSME環(huán)口日本的LE-7發(fā)動機的氫渦輪泵中，也都出現(xiàn)過轉子 的失穩(wěn)問題。在氫渦輪泵的研制過程中，由于轉子動力學問題是 一個非常敏感和復雜的問題，它所涉及的因素很多，需要仔細地 加以研究和分析。因此對氫渦輪泵進行轉子動力學設計和實驗研 究，是十分必要的。此項工作已是國外大推力火箭發(fā)動機研制過 程中不可缺少的一項。2氫渦輪泵轉子的設計計算2.1結構設計在氫渦輪泵中，由于液氫的密度很低，氫泵的揚程很高，為 了提高其效率并保證強度的需要，應采用多級泵并提高其轉速。這使氫渦輪泵轉子向柔軸發(fā)展。而補燃式發(fā)動機的渦輪一般為大 流量低壓比的渦輪，為了提高其效率往往采用兩

5、級反力式。這樣 就增加了轉子結構的復雜性，并帶來了附加軸向力，這都對轉子 的設計提出了更高的要求。在轉子的設計中，借鑒了美國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 HM-60氫渦輪泵及中 國氫渦輪泵等多種型號的結構形式。根據(jù)國內(nèi)外發(fā)動機的研制經(jīng) 驗，在大推力火箭發(fā)動機的氫渦輪泵中極易出現(xiàn)轉子不穩(wěn)定的現(xiàn) 象，這是由氫渦輪泵結構的復雜性和其惡劣的工作條件造成的， 轉子的工作轉速一般都在二階臨界轉速以上。針對這一特點，高 壓多級氫渦輪泵轉子（見圖1要按柔性轉子的特性進行設計，因此 采用了以下幾項措施：圖1氫渦輪泵轉子1一彈性支承；2渦輪盤；3一泵葉輪；4誘導輪；

6、5一阻尼器a采用雙列軸承及在每列軸承中間加預載的方式，有助于提高軸承的支承能力。b由于氫渦輪泵在二、三階臨界轉速之間工作，因此，為了保證其從啟動到關機的整個工作區(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構，即在鼠籠式彈性支承內(nèi)加入金屬橡膠阻尼器。轉子的支承剛度由鼠籠、軸承和阻尼器的組合剛度確定。同時，金屬橡膠阻尼器具有很大的阻尼 作用，既能夠減小轉子的振幅，也能夠減輕軸承的載荷，從而較好地保證轉子的動態(tài)穩(wěn)定性。具有彈性減振支承的轉子振幅頻率特性可按下式估算：Ay - (1)(:且d) + 癡一"u m式中S-工作轉速；3 k-臨界轉速；a-阻尼特性系數(shù)；e-偏心量；m-計算質量。c采用盤軸一體的渦輪轉子，即兩級渦輪盤與軸經(jīng)過長螺栓組成不可拆卸的整體結構。這樣可使渦輪泵轉子具有較