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火箭发动机涡轮泵转子系统的动力学设计

归档日期:07-16       文本归类:火箭发动机      文章编辑:爱尚语录

  火箭发动机涡轮泵转子系统的动力学设计_电子/电路_工程科技_专业资料。对新一代可重复使用火箭发动机涡轮泵转子系统动力学设计的若干问题进行了研究.以公理设计理论为指导,探索并实现了转子动力学性能计算软件的设计,运用该软件对不同类型轴承支承的涡轮泵转子系统进行了动力学设计计算.其中固有特性的设计包括对滚动轴承、滑动轴承支承的转子系统的临界转速与

  第17卷增刊 2004年8月 振 动 工 程 学 报 V01.1 7 NO.S Journal of Vibration Engineering Aug.2004 火箭发动机涡轮泵转子系统的动力学设计’ 雷世东 袁小阳 朱 均 周 淼 孟志强 (西安交通大学润滑理论及轴承研究所西安,710049) 摘 要 对新一代可重复使用火箭发动机涡轮泵转子系统动力学设计的若干问题进行了研究。以公理设计理论为 指导,探索并实现了转子动力学性能计算软件的设计,运用该软件对不同类型轴承支承的涡轮泵转子系统进行了 动力学设计计算。其中固有特性的设计包括对滚动轴承、滑动轴承支承的转子系统的临界转速与稳定性计算分析, 动力响应设计方面重点介绍了不平衡偏心激励下的非线性动力响应分析。计算结果表明,在火箭发动机中用动静 压滑动轴承取代滚动轴承是可行的。 关键词:转子动力学;涡轮泵;临界转速;稳定性 中图分类号:THll3 随着载人航天的发展,商用卫星的大型化,21 世纪对大运载的需求是迫切的。液体火箭发动机是 宇航推进家族中最重要的成员,并且已成为制约航 天发展速度的最关键因素。涡轮泵是液体火箭发动 机中事故率最高的部件,其性能好坏、工作可靠与否 都对发动机的性能影响很大[1]。涡轮泵转子系统的 动力稳定性是涡轮泵可靠工作的主要内容之一,防 止共振和自激振动是转子动力学的基本设计要求。 对于液体火箭发动机涡轮泵柔轴转子系统,当 其在超临界转速条件下工作时,曾多次出现过次同 步进动不稳定问题:美国SSME的高压氢涡轮泵发 生密封流体动力诱导的次同步进动D3;中国CZ一3火 箭的氢涡轮泵和日本I。E一7的氢涡轮泵也发生过内 阻尼诱导的次同步进动[3]。 动静压轴承兼有动压和静压轴承优点。在轴静 止、低速和高速运转时,供油系统向油腔分别提供不 同油压,使轴承处于完全液体摩擦状态,避免了振动 和干摩擦。同时利用动压轴承的附加动压效应,使故 障大大地降低。在设计转速下,承载能力大、系统刚 性好。因此,动静压轴承的实验研究特别受到重视。 在日本,应用于火箭发动机的动静压轴承的试验已 经取得一定进展,通过供应氦气实现自动平衡,以及 附加离合器轴承避免了低速时动静压轴承的磨损和 不平衡‘一5l。 1.1转子系统的建模 1理论与方法 本文采用旋转梁单元方法建模,可以得到轴承 转子系统的线)名一舶 M,z+C,名+x,z—go+/: (1) (2) 式中M,,C,,K,分别为转子本体的质量矩阵、陀螺 力矩阵、刚度矩阵,C。,K。分别为支承轴承的阻尼矩 阵、刚度矩阵,厂6为滑动轴承的非线性油膜力,g。为 不平衡外力。 对于滑动轴承,油膜力可线性表达成矩阵形式 {务>一』f/,如oJl+K。{;}+G{量) 性支承。 (3) 式中^。,厶。为油膜力的静态分量;K为刚度矩阵; C为阻尼矩阵。这样,在作动力分析时,油膜轴承就 模化为一个具有四个刚度系数和四个阻尼系数的弹 滚动轴承一般模化为一个弹性支承,阻尼很小, 通常忽略不计,交叉刚度为零。 1.2计算方法 临界转速与稳定性是涡轮泵转子系统要关心的 基本问题,由式(1),令舶一0,得 M,2+(C,+Cb)z十(K,十Kb)z一0 (1) . 国家“863”计划项目资助(编号:2002AA722061) 收稿日期:2004—04—10 万方数据

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