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火箭发动机涡轮泵是啥?

归档日期:07-08       文本归类:火箭发动机      文章编辑:爱尚语录

  涡轮泵主要由诱导轮、离心轮、涡轮、动密封、轴承、轴系支承系统和壳体等组成。轴承和动密封是涡轮泵的核心和关键部件,也是影响液体火箭发动机涡轮泵安全可靠工作的重要环节,摸清轴承的寿命和使用工况以及考核动密封性能与可靠性对发动机以及火箭至关重要。

  在涡轮泵内,轴承起支撑轴系结构的作用,并保证足够的回转精度。低温轴承试验的主要目的是为考核轴承在低温环境下加载高速运转,摸清轴承使用边界。

  动密封的功能是将两种介质隔离开,防止相遇,避免爆炸的危险,从而保证涡轮泵工作安全可靠。动密封试验的主要目的是考核动密封设计可靠性,获得动密封工作泄漏量。

  为什么涡轮泵被称作是“心脏”,这颗“心脏”要如何保持强劲的功能才能维持运载火箭动力系统的正常运转

  发动机被称为火箭的心脏,而涡轮泵又称作是火箭发动机的心脏。这个比喻是十分形象的。

  首先是它的功能——增压。这和心脏泵血的效果完全一致,不过,比起心脏有规律的跳动挤压,涡轮泵的工作方式更为爆裂:液体火箭发动机是一个不折不扣的吃货。工作几分钟,几百吨的燃料就要消耗掉。因此,涡轮泵的功率不是一般的大,俄罗斯RD-170的涡率有19.2万千瓦;而以我国著名的长征七号火箭为例,它的第一级大约要装450吨煤油和液氧,这450吨燃料要在187秒内用完,也就说它几台发动机的涡轮泵加起来,每秒要喷出2.4吨燃料。假如它是个水泵,它这个输出压力,可以把海面上的水打到5000米高空,直上青藏高原。从工作的强度来看,它是一颗名副其实的钢铁心脏。

  第二,是它的地位重要。涡轮泵是液体火箭发动机中高速旋转组件,也是发动机重要组合件中唯一一个高速旋转类机械。据统计,在火箭发动机发生的故障中,约有一半左右发生在涡轮泵中。从这方面看,火箭发动机这个钢铁直男的外表下,藏着的还是一颗玻璃心,不敢受一点伤。也正因为涡轮泵的“脆弱”,火箭发动机工程师对于涡轮泵的改进技术存在着巨大的热情。在制造方面,在涡轮泵制造中应用新技术也是常事,2016年,美国国家航空航天局(NASA)就曾宣布成功的对 3D 打印出的火箭发动机涡轮泵进行了测试,这种涡轮泵使用的燃料为液态甲烷。 允许 NASA 在制造涡轮泵时少使用约 45%的组件,使快速设计、制造和测试两种不同设计的火箭发动机涡轮泵成为可能。

  涡轮泵的设计有很多要求:比如,在发动机所有工况下,应满足发动机分配的可靠度要求。同时为保证液体火箭发动机有较小的尺寸和质量,涡轮泵装置应有较小的尺寸和质量。液体火箭发动机涡轮泵在设计时十分强调重量轻和性能高,很多涡轮泵组件被设计成接近于技术发展水平的极限。高转速,就要求有好的轴承;高压力,就要求有好的密封;高效率,就要求有好的叶型;高性能,就要具有高抽吸性能的诱导轮,以减少贮箱的压力和重量。

  以“天鹊”(TQ-12)80吨液氧甲烷发动机涡轮泵为例,作为国内首台大吨位双低温同轴涡轮泵。它在设计中采用简单、可靠、低成本的设计理念,使用了刚轴、浮动环动密封、轴向力平衡系统等关键技术满足可靠性要求。

  为了保证从喷嘴叶栅环喷出的高速燃气推动涡轮高速旋转产生强大动力,然而不出现泄漏或失效等问题,就需要高可靠的密封系统提供保障。对涡轮泵而言,密封系统犹如构筑了一道铜墙铁壁。

  蓝箭航天研发的TQ-12液氧甲烷发动机涡轮泵主要涉及两套动密封系统,一是氧泵和甲烷泵之间的介质隔离动密封系统,二是涡轮端动密封系统。两套动密封系统均采用简单、可靠的浮动环密封。

  氧泵和甲烷泵之间的动密封是极为关键的密封系统。因为动密封结构的存在,使得液氧和甲烷“近在咫尺,却永不往来”。换言之,隔离动密封系统的功能是将低温液氧和甲烷隔离开来,防止两种介质相遇,避免爆炸的危险,从而保证涡轮泵工作安全可靠。

  涡轮端动密封系统由多个浮动环组合而成,其功能是减小甲烷泄漏量。在工作过程中,浮动环处于低温、高压、高转速等苛刻的环境中,因此要求浮动环密封件制造精度很高——密封端面的平面度、垂直度以及浮动环的同心度对密封的性能影响很大,所以加工工艺对浮动环的密封性能至关重要。

  浮动环密封又被称为浮环密封,是一种流阻型非接触式动密封装置,靠浮动环与轴间的极小间隙限制流体的泄漏,常用于航空、航天、舰船、石油石化领域的离心压缩机、离心泵等旋转流体机械轴封,其优点体现在:

  喷嘴叶栅环是涡轮泵中核心零件,涡轮泵在工作时,燃气在喷嘴流道内膨胀后,推动涡轮旋转。喷嘴叶栅环的质量决定着涡轮的整体性能,该部件结构复杂,制造精度要求很高。

  作为涡轮泵的关键部件之一,喷嘴叶栅环的功能是:把燃气发生器产生的燃气加速至超音速状态,吹转涡轮盘,将燃气热能转化为带动泵高速旋转的机械能。在发动机工作过程中,喷嘴叶栅环通常“沐浴”在高温、高压、高速的气流中,这就要求喷嘴叶栅环必须使用耐高温材料。另外喷嘴的型面曲线对涡轮性能影响很大,如何保证产品精度,其加工工艺起到决定性作用。

  电火花加工(EDM)技术是火箭发动机常用制造技术之一,针对难加工的材料、复杂零件,这种工艺有着成本低、加工形状不受限制的优势,完全满足喷嘴叶栅环的高强度、高韧性、高精度、特殊型面的各种要求。

  喷嘴叶栅环交付后,将参与涡轮泵总装及试验。酷热夏季结束之际,蓝箭航天TQ-12液氧甲烷发动机研制整体步入快车道。随着涡轮泵关键制造工艺的全面突破,蓝箭航天将在最短时间内,全面掌握液氧甲烷发动机涡轮泵制造技术,为发动机后续生产、试验奠定坚实的基础。

  电火花加工工艺自1943年苏联莫斯科大学教授拉扎连科夫在研究如何减少钨开关触点的电火花腐蚀,延长钨开关使用寿命的试验中,意外发现浸入油中的触点产生的火花放电小凹坑具有可控性和一致性,于是他们就想到利用这种现象进行材料放电腐蚀,从而开创了电火花加工方法。历经半个多世纪的研究和发展,电火花加工技术已成为液体火箭发动机制造技术中不可缺少的分支,并已在难切削材料、复杂型面、精细表面、模具等加工领域成为一种重要的工艺方法。

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