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诱导轮后掠角对液氧涡轮泵空化性能的影响

天津理工大学学报 2024年

作者：任建朝童志庭樊岳李亚男路祥宾苏宏冉天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心

针对液氧涡轮泵容易发生空化的问题，研究诱导轮不同后掠角对涡轮泵空化性能的影响。采用ANSYS CFX软件，基于雷诺时均方程、SST k-ω湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型，对诱导轮后掠角为120°、160°、200°、240°的液氧涡轮泵在... 详细信息

针对液氧涡轮泵容易发生空化的问题，研究诱导轮不同后掠角对涡轮泵空化性能的影响。采用ANSYS CFX软件，基于雷诺时均方程、SST k-ω湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型，对诱导轮后掠角为120°、160°、200°、240°的液氧涡轮泵在不同进口压力的条件下进行数值模拟，分析诱导轮不同后掠角对涡轮泵外特性和空化性能的影响。结果表明：诱导轮后掠角对液氧涡轮泵的空化性能有较大的影响，在四个方案中，涡轮泵临界空化余量呈现先减小后增加的趋势，诱导轮后掠角在200o时，涡轮泵的空化性能最好，临界空化余量为12.11m。

关键词：液氧涡轮泵诱导轮后掠角空化性能

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液氧涡轮泵新型螺旋阻尼密封泄漏特性研究

西安交通大学学报 2022年第8期56卷 62-72页

作者：靳志鸿李志刚李军毛凯西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 西安航天动力研究所西安710100

针对某液氧涡轮泵离心轮前凸肩密封,提出了一种新型螺旋阻尼密封结构(静子面孔腔和转子面螺旋槽)。为研究离心轮凸肩密封进口高预旋影响,提出了能够同时模拟动密封进口压力场和速度场的“双进口边界”数值模型。采用液体(水工质)孔型阻... 详细信息

针对某液氧涡轮泵离心轮前凸肩密封,提出了一种新型螺旋阻尼密封结构(静子面孔腔和转子面螺旋槽)。为研究离心轮凸肩密封进口高预旋影响,提出了能够同时模拟动密封进口压力场和速度场的“双进口边界”数值模型。采用液体(水工质)孔型阻尼密封和螺旋密封的泄漏量实验结果,验证了基于三维定常Navier-Stokes(RANS)方程的动密封稳态泄漏流动数值预测方法的有效性和准确性。对比研究了迷宫密封、孔型阻尼密封、双螺旋密封等3种传统动密封结构和新型螺旋阻尼密封在某液氧涡轮泵6种变负载运行工况(负载率φ为23%、31%、54%、77%、100%、108%)、2种进口预旋比(λ为0、0.75)下的泄漏特性。结果表明:相比于3种传统动密封结构,新型螺旋阻尼密封在全工况下均具有最佳的封严性能(泄漏量减小10%~50%),尤其在高负载工况(更高转速、更大压差);新型螺旋阻尼密封的泄漏量对进口预旋、压差和转速等运行条件的变化敏感性最低(在23%~108%变载荷运行、无预旋时,新型螺旋阻尼密封的泄漏变化量相对于迷宫、孔型和双螺旋密封减小了45%、40%、29%),具有优良的变工况适应能力,能够满足液氧涡轮泵深度变推力的工作需求,是一种理想的液氧涡轮泵离心轮凸肩密封结构。

关键词：液氧涡轮泵螺旋阻尼密封泄漏特性变工况适应性

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液氧涡轮泵阻尼密封设计与动力学特性研究

西安交通大学学报 2023年第9期57卷 43-53,61页

作者：靳志鸿胡锦华李志刚李军西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 西安航天动力研究所西安710100

为评估进口高预旋对动密封性能的影响,提出了能够同时模拟动密封进口压力场和速度场的“虚拟旁路边界”计算模型和动密封非定常流体激振数值预测方法。针对某型液氧涡轮泵离心叶轮前凸肩动密封,开展了迷宫、蜂窝和孔型阻尼密封方案设计... 详细信息

为评估进口高预旋对动密封性能的影响,提出了能够同时模拟动密封进口压力场和速度场的“虚拟旁路边界”计算模型和动密封非定常流体激振数值预测方法。针对某型液氧涡轮泵离心叶轮前凸肩动密封,开展了迷宫、蜂窝和孔型阻尼密封方案设计、性能比较和深度变推力发动机涡轮泵密封动力学适应性研究,比较了液氧涡轮泵额定工况下3种动密封方案性能,计算分析了6种发动机推力负荷(10%~100%)、高进口预旋(预旋比为0.77)下孔型阻尼密封的泄漏量和转子动力特性系数。结果表明:在额定工况下,相比于迷宫密封,蜂窝和孔型阻尼密封具有更优的封严性能(泄漏流量分别减小了17.9%和17.5%)和动力学性能(同步频率下有效阻尼分别增大了180%和87%,穿越频率从661 Hz分别减小到了287 Hz和275 Hz);在发动机深度变推力工况下,孔型阻尼密封具有较大的同步频率有效阻尼;受高进口预旋的影响,有效阻尼的穿越频率随推力负荷的增大而显著增大(从50 Hz增大到430 Hz),减小了密封提供正阻尼的抑振频率区间;在大推力工况下,可通过在密封入口设置防旋板等止旋装置减小预旋、提高转子稳定性。

关键词：液氧涡轮泵孔型阻尼密封泄漏特性深度变推力工况转子稳定性

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液氧涡轮泵多级液封轮密封空化流动特性分析

推进技术 2023年第9期44卷 75-89页

作者：王凯赵四维鲍海峰庄宿国刘厚林江苏大学流体机械工程技术研究中心江苏镇江212013 新乡航空工业(集团)有限公司河南新乡453003 西北工业大学机电学院陕西西安710072

在考虑低温空化特性的基础上,提出了适用于液氧涡轮泵多级液封轮低温空化流动的数值计算方法,并采用液氮下的试验数据验证了可行性,最后对多级液封轮内低温空化流动及密封特性进行了数值研究。结果表明:与液氮试验值相比,后腔温度及压... 详细信息

在考虑低温空化特性的基础上,提出了适用于液氧涡轮泵多级液封轮低温空化流动的数值计算方法,并采用液氮下的试验数据验证了可行性,最后对多级液封轮内低温空化流动及密封特性进行了数值研究。结果表明:与液氮试验值相比,后腔温度及压力的最大计算偏差分别为8.2%和6.7%,数值计算方法可行;多级液封轮内汽相体积约为液相体积的2~3倍,一级液封轮起主要密封作用,二级液封轮处于低压汽相环境中,部分工况后腔有局部憋压,可适当增加泄出口数量或直径以避免憋压;流场有-4~9K的温度变化,最高和最低温度分别位于一级、二级液封轮处,体现了低温空化的热力学效应;流场中高熵产率区主要分布于一级液封轮中,是能量损失的主要区域,脉动速度熵产率ΔSD'是熵产率的主要来源;多级液封轮在一级液封轮处形成了稳定的汽液交界面,相变半径由工况Ⅰ至Ⅳ递增,经泄出口排出的均为汽相介质,总流量在0.1~0.44kg/s,流量较小,有效地阻止了液氧的泄漏。

关键词：多级液封轮液氧涡轮泵密封性能低温空化熵产率

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液氧涡轮泵变腔室长度迷宫密封特性研究

液氧涡轮泵变腔室长度迷宫密封特性研究

作者：李典来哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

迷宫密封被广泛应用于火箭发动机、航空发动机、压缩机等透平涡轮机械当中,其优良性能已经被证明在提高转子转速方面能够起到非常重要的作用。目前,对迷宫密封技术的研究,在建立泄漏计算模型和密封流体激励力计算模型方面已经取得了许... 详细信息

迷宫密封被广泛应用于火箭发动机、航空发动机、压缩机等透平涡轮机械当中,其优良性能已经被证明在提高转子转速方面能够起到非常重要的作用。目前,对迷宫密封技术的研究,在建立泄漏计算模型和密封流体激励力计算模型方面已经取得了许多富有成效的技术成果。然而,现阶段对迷宫密封的研究仍存在不足之处,例如泄漏计算模型和密封流体激励力计算模型普遍存在通用性较差,只在某些特定条件下才适用或满足精度要求,并且这些模型在一定程度上都做了许多简化假设,因而难以准确描述密封流场结构。随着计算机的高速发展和计算流体力学(CFD)的逐步发展,CFD密封流场模拟被广泛应用于迷宫密封特性研究领域。基于CFD密封流场模拟方法可以直接用于密封流场分析而不需要做过多的假设因而能够更准确地描述密封流场的流动状况,并且具有更好的计算精度。本文利用FLUENT软件深入对迷宫密封流场进行分析,研究迷宫密封的泄漏特性,基于动网格技术求解其动力学系数,并提出一种变腔室长度结构迷宫密封的设计方向。本文首先建立迷宫密封三维流场模型,详细分析了边界条件的设置和网格的划分。其次研究了迷宫密封的泄漏特性,从密封间隙、偏心率、转子转速、入口压强等方面对迷宫密封流场的速度分布、压强分布、转子受力情况及泄漏量的影响进行了细致的分析,进一步深入了解流体激励力产生机理,为研究迷宫密封的动力学特性奠定了基础。接着研究了迷宫密封的动力学特性,利用基于动网格的瞬态计算方法获得了偏心率、密封间隙、转子转速和入口压强对迷宫密封的动力学特性的影响规律。最后,在此基础上,通过对变密封腔长度结构对迷宫密封的泄漏特性和动力学特性的影响研究,提出了优化迷宫密封的泄漏特性并改善其动力学特性的变密封腔室长度结构模型。

关键词：液氧涡轮泵迷宫密封泄漏特性动力学特性动网格变腔室长度

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液氧涡轮泵多级液封轮密封性能研究

液氧涡轮泵多级液封轮密封性能研究

作者：鲍海峰江苏大学

学位级别：硕士

密封装置作为液体火箭发动机系统的重要部件之一,对火箭的安全稳定运行起着关键作用。随着我国液体火箭发动机朝着高性能、大变比、多次起动、重复使用的方向发展,对密封装置也提出了更高的性能和可靠性要求。液封轮作为一种非接触式密... 详细信息

密封装置作为液体火箭发动机系统的重要部件之一,对火箭的安全稳定运行起着关键作用。随着我国液体火箭发动机朝着高性能、大变比、多次起动、重复使用的方向发展,对密封装置也提出了更高的性能和可靠性要求。液封轮作为一种非接触式密封,可以很好地解决目前火箭发动机液氧涡轮泵密封端面磨损失效及泄漏量大的问题。然而目前液氧涡轮泵液封轮密封性能的研究尚不充分,尤其是对液封轮内的低温空化流动特性的研究更加匮乏。为此,本文对某型发动机液氧涡轮泵多级液封轮进行了流动特性及密封性能非稳态数值模拟研究,并对一级液封轮结构进行了优化。本文主要研究内容和成果如下:1.数值分析了转速n、进口压力P以及工作介质对液相条件下一级液封轮内部流场和密封性能的影响。结果表明:(1)以转速为工况变量时,增压值随转速增大而增大,转速为12000 rpm时液封轮趋于等压密封,减小或增大转速则分别进入泄漏状态和负压密封状态。(2)以进口压力为工况变量时,进口压力为2MPa时一级液封轮趋于等压密封状态,减小或增大进口压力则液封轮分别进入负压密封状态和泄漏状态。(3)转速-进口压力匹配关系对增压值、增压系数以及泄漏流量有显著影响,转速-进口压力匹配良好的工况增压值显著增大、泄漏流量显著减小,增压系数稳定在0.88～0.89左右。(4)以工作介质为工况变量时,增压值随介质密度的增大而增大,泄漏流量随介质密度的增大而减小,增压系数受工作介质影响相对较小。2.基于响应面法分析了各结构参数对增压系数φ及泄漏流量Q的影响,得到了φ、Q处于较优值域的结构参数取值范围,并选取其中一组参数组合作为优化方案进行数值验证。结果表明:(1)槽宽度b、槽深度h以及槽数量z的取值范围分别应为:[12.8 mm,14 mm]、[4.5 mm,5.6 mm]、[23.5,28];(2)取槽宽度b为12.8 mm,槽深度h为4.5mm,槽数z为24作为优化方案,与原模型相比,各转速下优化模型的增压系数φ平均提升了2.5%,泄漏状态时泄漏流量Q平均减小了8.2%,负压密封状态时反向流量Q平均增大了6.7%。3.考虑低温空化特性,采用修正的Zwart-Gerber-Belamri空化模型,提出了适用于液氧涡轮泵多级液封轮低温空化流动的数值计算方法,并采用液氮下的液封轮试验数据验证了数值计算方法可行性,最后对多级液封轮内低温空化流动及密封特性进行了数值研究。结果表明:(1)与液氮试验值相比,后腔温度及压力的最大计算偏差分别为8.2%和6.7%,数值计算方法可行;(2)一级液封轮起主要密封作用,压力的变化使多级液封轮内形成大面积空化,流场汽相体积约为液相体积的2～3倍,二级液封轮处于低压汽相环境中,部分工况后腔有局部憋压,可适当增加泄出口数量或直径以避免憋压;(3)流场有-4 K～9 K的温度变化,最高和最低温度分别位于一级液封轮处和二级液封轮处,体现了低温空化的热力学效应;(4)流场中高熵产区主要分布于一级液封轮中,是能量损失的主要区域,脉动速度熵产ΔS是熵产的主要来源;(5)多级液封轮在一级液封轮处形成了稳定的汽液交界面,相变半径由工况一至四递增,经泄出口排出的均为汽相介质,总流量在0.1 kg/s～0.44 kg/s之间,流量较小,有效地阻止了液氧的泄漏,实现了很好的密封效果。

关键词：多级液封轮液氧涡轮泵密封性能结构优化低温空化

进口压力对液氧涡轮泵一级液封轮密封性能的影响

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水动力学研究与进展（A辑） 2023年第3期38卷 391-398页

作者：薛瑞阳宋寒冰周芮王凯鲍海峰刘厚林江苏大学流体机械工程技术研究中心镇江212013 航天系统部装备部军事代表局驻西安地区第一军事代表室西安710002 西安航天动力研究所西安710199

液封轮作为一种非接触式密封能够很好地解决火箭发动机液氧涡轮泵密封端面磨损失效及泄漏量大的问题。该文以某火箭发动机液氧涡轮泵多级液封轮为研究对象,采用数值模拟方法研究了进口压力对液氧涡轮泵一级液封轮密封性能的影响,并以工... 详细信息

液封轮作为一种非接触式密封能够很好地解决火箭发动机液氧涡轮泵密封端面磨损失效及泄漏量大的问题。该文以某火箭发动机液氧涡轮泵多级液封轮为研究对象,采用数值模拟方法研究了进口压力对液氧涡轮泵一级液封轮密封性能的影响,并以工作介质为液氮进行实验,验证了本文采用的一级液封轮数值计算方法的可靠性,以泄漏流量和增压系数为指标对计算结果进行分析。结果表明:一级液封轮后方密封腔体的压力和温度偏差分别为6.7%和8.2%,该数值计算方法可行;在10000 rpm的转速下,通过改变进口压力可以得到负压密封、等压密封和泄漏这三种典型密封状态;以增压系数和泄漏量作为密封状态的评判标准,给出了密封状态的分类以及增压系数对应密封状态的分析方法。总而言之,液封轮与转速及进口压力的合理匹配十分重要,在实际应用中想要实现更大压力的工作介质密封则需提高转速或更换密封能力更强的液封轮。

关键词：液氧涡轮泵一级液封轮进口压力泄漏流量增压系数

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高压液氧涡轮泵孔型/蜂窝阻尼密封的设计

火箭推进 2021年第2期47卷 47-53页

作者：毛凯李昌奂张聃安康西安航天动力研究所陕西西安710100

针对某型火箭发动机高压液氧涡轮泵离心轮的前、后凸肩动密封,采用孔型/蜂窝阻尼密封代替原始迷宫密封方案,并对密封结构参数进行优化设计,旨在减小泵内动静间隙泄漏,提高泵容积效率。采用经水工质孔型密封泄漏量实验数据验证的,基于k-... 详细信息

针对某型火箭发动机高压液氧涡轮泵离心轮的前、后凸肩动密封,采用孔型/蜂窝阻尼密封代替原始迷宫密封方案,并对密封结构参数进行优化设计,旨在减小泵内动静间隙泄漏,提高泵容积效率。采用经水工质孔型密封泄漏量实验数据验证的,基于k-ε湍流模型和三维定常Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的液体孔型密封泄漏量数值计算方法,研究了孔深、孔径对液氧孔型阻尼密封、蜂窝阻尼密封泄漏特性的影响规律,并与迷宫密封的封严性能进行了比较。计算分析了孔径在0.3~2.0 mm范围内、孔深在0.1~2.0 mm范围内连续变化时孔型阻尼密封的泄漏量。结果表明:相同孔径和孔深下,孔型阻尼密封和蜂窝阻尼密封具有相近的封严性能,均优于迷宫密封;有限的密封轴向长度下,液氧孔型/蜂窝阻尼密封泄漏量随孔径的增大(轴向孔数目减小)先减小后增大,孔型/蜂窝阻尼密封最佳孔径为1.4 mm;不同孔径下,液氧孔型/蜂窝密封均存在最佳深径比0.5,泄漏量达到最小值;相比于原始迷宫密封方案,优化设计的孔型/蜂窝阻尼密封使液氧涡轮泵离心轮前、后凸肩动密封泄漏量分别减小了约19%和21%。

关键词：液氧涡轮泵孔型/蜂窝密封优化设计封严性能