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某液体火箭发动机氢涡轮泵转子动特性研究(中)

        氢涡轮转子轴系动力学模型

基于实验转子轴系建模方法,利用DyRoBeS大型动力学分析软件建立氢涡轮转子轴系动力学计算模型,并分析其转子动力学特性,包括转子系统临界转速、振型、稳态不平衡响应和转子稳定性等。DyRoBeS作为一款面向工程的转子动力学分析软件,建模方便快捷,具有丰富的功能和可靠的计算精度,能够很大程度上提高计算效率,保证计算结果的准确性。由于氢涡轮泵转子轴系结构较为复杂,为建立能够准确反映实际情况的转子动力学算模型,建模时需要对转子轴系进行合理的简化。

建模准则

根据氢涡轮泵转子轴系的结构特点,在建立转子动力学计算模型时采用以下几点建模细则:

(1) 转子轴上的轴套和叶轮轮毂等对转子模态,尤其是高阶模态有很大影响,考虑到转子轴套和叶轮轮毂等对转子刚度的加强作用,将轴套与叶轮轮毂等部件全部建立,采用实验转子轴系模型修正方法进行建模,转子轴套和轴承内圈厚度取实际尺寸的0.5倍,质量不变,叶轮轮毂厚度不变,质量忽略;

(2) 为进行氢涡轮泵各密封位置密封动态特性参数对转子动力学特性的影响分析,在模型一级叶轮前后凸肩迷宫密封位置、级间密封位置、二级叶轮前后凸肩迷宫密封位置以及涡轮端三道气流密封位置处建立节点,方便密封动态特性参数的施加;

(3) 计算模型采用两支点支承结构,支承位置仅考虑径向支承刚度和阻尼,并假设工作时支承结构参数不发生变化;

(4) 转子系统结构中圆弧位置近似采用锥形有限元模型,对螺钉等部分小零件进行简化,忽略转子结构中倒角等微小的局部结构;

根据建模细则在DyRoBeS动力学分析软件中建立转子动力学计算模型。模型节点的划分如图3-19所示,转子轴一共划分为86个单元。其中18、33、54、73、76节点处为轮盘集中质量施加点;30、38、48、52、56、68、70、73、74、76节点处为密封节点位置;40、44、60、64节点位置为转子轴承节点位置,本次分析中采用两支点结构分析转子系统动力学特性,两节点位置为42节点和62节点。

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根据建模细则在DyRoBeS中建立的转子动力学计算模型如图3-20所示,其中a-e分别表示诱导轮、一级和二级叶轮以及一级和二级涡轮盘集中质量,用圆圈表示;A-H表示转子各密封节点位置,用弹簧表示;1和2分别表示计算模型支承位置,用弹簧支承表示;转子动平衡可选去重平面位于两级叶轮以及两级涡轮盘位置,即b、c、d、e.

氢涡轮泵动力学计算模型参数

 (1) 计算模型材料及性能参数

氢涡轮泵动力学计算模型各部件材料及性能参数如表3-4所示。

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(2) 计算模型支承参数

氢涡轮泵动力学计算模型采用两支承结构,涡轮端和泵端鼠笼弹性支承按等刚度考虑,等效刚度根据氢涡轮泵转子对应位置支承刚度取为7*107N/m;支承位置金属橡胶阻尼器对氢涡轮泵转子轴系稳定性具有至关重要的作用,计算模型阻尼值取为2N.s/mm。

(3) 集中质量

氢涡轮泵动力学计算模型诱导轮、两级叶轮和两级涡轮集中质量如表3-5所示。

表3-5氢涡轮泵动力学计算模型轮盘集中质量

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(4) 不平衡量施加位置及大小

在分析氢涡轮泵转子不平衡响应时需在一级叶轮、二级叶轮、一级涡轮和二级涡轮位置分别施加一定大小,相位角为0°的的不平衡量。由于氢涡轮泵转子加工质量和装配精度较高,且己做过低速动平衡试验,动平衡精度满足GB/T9239-1988G1级,故计算模型不平衡量施加大小取5g·mm。

 氢涡轮泵转子动力学特性计算

临界转速及振型

根据建模准则以及模型参数建立的不考虑氢涡轮泵转子各密封位置动态特性影响的氢涡轮泵动力学计算模型如图3-21所示,对其动力学特性进行分析得到氢涡轮泵前三阶临界转速、相对运行转速的裕度以及对数衰减率如表3-6所示,转子各阶振型如图3-20至3-22所示。

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       氢涡轮泵转子常温状态下运行转速为68000rpm。由计算所得数据可知转子在运行转速内跨过两阶临界转速,运行转速介于二阶和三阶临界转速之间,二阶临界转速与三阶临界转速和运行转速的裕度分别为37.3%和37.5%,可知氢涡轮泵转子运行转速选取较为合理。由氢涡轮泵转子前三阶临界转速下的对数衰减率可知在现有支承参数下转子可稳定运行,其中二阶临界转速下的转子运行稳定性较好。

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由氢涡轮泵转子振型图可知转子一阶和二阶振型为刚性振型,三阶为弯曲振型,说明氢涡轮泵转子刚性较大,其中一阶振型是由静不平衡引起,二阶振型由力偶不平衡引起,故后期转子高速动平衡可初步采用双平面动平衡方法。



标签: 火箭发动机转子涡轮  

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