渦輪泵是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件,其直接決定著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能否安全運(yùn)行。其中,液體密封是控制渦輪泵泄漏的關(guān)鍵,對(duì)于提高渦輪泵效率及降低轉(zhuǎn)子振動(dòng)具有重要意義�？紤]到密封部件處于高壓和低溫并存的惡劣工況下,結(jié)構(gòu)簡單且不易發(fā)生變形的環(huán)形間隙密封常被用作控制液氧工質(zhì)泄漏的主要密封部件。本文以液氧渦輪泵離心輪凸肩處的間隙密封為研究對(duì)象,提出一種在密封表面添加織構(gòu)的新型液體密封,研究表面織構(gòu)間隙密封的泄漏特性及密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。首先利用CFD方法研究密封表面不同織構(gòu)形貌及分布對(duì)泄漏特性的影響規(guī)律,以降低密封泄漏量為設(shè)計(jì)目標(biāo),得到較優(yōu)化的表面織構(gòu)間隙密封結(jié)構(gòu)。并應(yīng)用本文提出的密封泄漏特性及動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)方法,試驗(yàn)驗(yàn)證CFD方法計(jì)算準(zhǔn)確性。進(jìn)而針對(duì)表面織構(gòu)間隙密封泄漏特性及動(dòng)力學(xué)特性研究,提出一種CFD-Bulk flow混合計(jì)算方法。該方法首先對(duì)密封間隙內(nèi)流動(dòng)方程簡化,構(gòu)建變間隙高度Bulk flow模型;再通過CFD穩(wěn)態(tài)流場仿真結(jié)果修正模型的入口壓強(qiáng)損失系數(shù)及壁面阻力系數(shù);最后應(yīng)用有限元法對(duì)流場求解。與應(yīng)用CFD動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)仿真對(duì)比,該方法計(jì)算可靠且具有高計(jì)算效率的優(yōu)勢。應(yīng)用此方法,本文獲得表面織構(gòu)間隙密封在不同密封間隙、密封長度、壓差、轉(zhuǎn)速以及偏心率條件下的泄漏量和動(dòng)力學(xué)特性系數(shù)變化規(guī)律;并對(duì)比無織構(gòu)間隙密封,均得到泄漏量和剛度系數(shù)減小、阻尼系數(shù)增大的仿真結(jié)果。最終針對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究,建立考慮部分軸段材料屬性等效、輪盤結(jié)構(gòu)簡化和支承結(jié)構(gòu)下的渦輪泵密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元模型,自編程仿真計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速及振型。并且提出一種考慮密封激勵(lì)力與轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移耦合的計(jì)算方法,仿真得到不平衡激勵(lì)下軸端螺母、密封及泵端軸承處的振動(dòng)響應(yīng)。得到密封間隙減小及密封長度增大有利于降低渦輪泵轉(zhuǎn)子振動(dòng)水平的仿真結(jié)果。研究表明,相較于無織構(gòu)間隙密封,本文所提出的表面織構(gòu)間隙密封在泄漏量控制和減振方面均得到良好的效果,為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵性能的提升提供了技術(shù)支持。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V432
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第1章 緒 論背景及研究的目的和意義泵是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件，對(duì)國家航天發(fā)展有著性能很大程度上反映了一個(gè)國家的工業(yè)發(fā)展水平。渦輪泵一份直聯(lián)組成，通過燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪，進(jìn)而帶動(dòng)燃料泵旋轉(zhuǎn)，對(duì)圖 1-1 所示。由于渦輪泵是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的高速旋轉(zhuǎn)部件，劣，大多數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障都發(fā)生在渦輪泵中。因此其可靠性重要[1]。

文所研究的非接觸式密封可用性好、可靠性強(qiáng)、密封效果良好且可與其他密封組合應(yīng)用[10]。其具體的主要形式包括：環(huán)形軸向密封、離心密封、可脫開的端面密封和唇形密封圈等[11]，本文主要對(duì)環(huán)形的軸向密封進(jìn)行研究。間隙密封是一種最簡單的密封形式，其利用密封液體在壓差流動(dòng)下，通過靜、動(dòng)部件之間微小間隙而產(chǎn)生的流阻來起到密封的作用。因此，為了實(shí)現(xiàn)良好的密封效果，其密封間隙往往較小，對(duì)于其加工和安裝的精度都提出了較高的要求。隨著轉(zhuǎn)子系統(tǒng)高參數(shù)化的發(fā)展，間隙密封的動(dòng)力學(xué)特性和泄漏特性較先進(jìn)的密封技術(shù)還存在很大差距。因此發(fā)展了一種泄漏量較好的浮動(dòng)環(huán)密封，其本質(zhì)上可以認(rèn)為是一種可隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的間隙密封，如圖 1-2 所示。但對(duì)于浮動(dòng)環(huán)密封深入研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少，其運(yùn)動(dòng)軌跡及自鎖位置范圍較不明確。Baheti[13和 Kirk[14]仿真得到浮動(dòng)環(huán)密封可以跟隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并鎖定在某一個(gè)偏心位置上Duan W[15]仿真計(jì)算浮動(dòng)環(huán)密封自鎖位置，結(jié)果與試驗(yàn)[16]偏差較大。近年來，Xia P[17]對(duì)浮動(dòng)環(huán)密封的自鎖進(jìn)行了研究，結(jié)果表明浮動(dòng)環(huán)的運(yùn)動(dòng)逐漸向轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)中心靠近，并且其自鎖的位置與其自身端面的摩擦力有關(guān)，研究給出了浮動(dòng)環(huán)穩(wěn)定后的自鎖位置范圍。

文所研究的非接觸式密封可用性好、可靠性強(qiáng)、密封效果良好且可與其他密封組合應(yīng)用[10]。其具體的主要形式包括：環(huán)形軸向密封、離心密封、可脫開的端面密封和唇形密封圈等[11]，本文主要對(duì)環(huán)形的軸向密封進(jìn)行研究。間隙密封是一種最簡單的密封形式，其利用密封液體在壓差流動(dòng)下，通過靜、動(dòng)部件之間微小間隙而產(chǎn)生的流阻來起到密封的作用。因此，為了實(shí)現(xiàn)良好的密封效果，其密封間隙往往較小，對(duì)于其加工和安裝的精度都提出了較高的要求。隨著轉(zhuǎn)子系統(tǒng)高參數(shù)化的發(fā)展，間隙密封的動(dòng)力學(xué)特性和泄漏特性較先進(jìn)的密封技術(shù)還存在很大差距。因此發(fā)展了一種泄漏量較好的浮動(dòng)環(huán)密封，其本質(zhì)上可以認(rèn)為是一種可隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的間隙密封，如圖 1-2 所示。但對(duì)于浮動(dòng)環(huán)密封深入研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少，其運(yùn)動(dòng)軌跡及自鎖位置范圍較不明確。Baheti[13和 Kirk[14]仿真得到浮動(dòng)環(huán)密封可以跟隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并鎖定在某一個(gè)偏心位置上Duan W[15]仿真計(jì)算浮動(dòng)環(huán)密封自鎖位置，結(jié)果與試驗(yàn)[16]偏差較大。近年來，Xia P[17]對(duì)浮動(dòng)環(huán)密封的自鎖進(jìn)行了研究，結(jié)果表明浮動(dòng)環(huán)的運(yùn)動(dòng)逐漸向轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)中心靠近，并且其自鎖的位置與其自身端面的摩擦力有關(guān)，研究給出了浮動(dòng)環(huán)穩(wěn)定后的自鎖位置范圍。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2823711