液氧涡轮泵轴向力计算及空化流场分析

发布时间：2017-11-19 07:23

  本文关键词：液氧涡轮泵轴向力计算及空化流场分析

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【摘要】：涡轮泵通过其高速运转为航天发动机提供源源不断的动力,是航天发动机的核心动力装置。在涡轮泵的高速运转中,泵转轴受到很大的轴向力,威胁泵的安全运行。同时,由于泵内工质的低温特性及泵的高速运转,泵内空化引起的流场特性对泵的安全运行也至关重要。本文针对某型液氧涡轮泵的平衡活塞轴向间隙变化对轴向力影响的问题进行数值仿真研究,从结构变化引起的流场因素方面分析轴向力变化的机理原因,并说明轴向间隙变化对轴向力的影响规律。在空化初步分析中,对比不同空化工况,初步探究空化现象对液氧泵内在流场因素和外在泵特性因素的影响。本文的研究内容主要包括:(1)采用CFX商业软件提供的SST湍流模型仿真计算平衡活塞固定轴向间隙下不同流量工况时泵的流场状态,对比分析轴向力随流量变化的变化规律,并探究影响轴向力变化的流场内在因素,如速度矢量、压力分布等因素。(2)计算平衡活塞不同轴向力间隙时各流量工况下所受轴向力,对比分析结构变化引起的轴向力特点,并从流场的速度矢量、压力分布及涡量场等角度分析平衡活塞的工作机理,说明轴向间隙变化对轴向力的影响规律,为轴向力估算提供指导。(3)利用Zwart-Gerber-Belamri空化模型模拟泵内空化流并对比不同空化数σ工况下空化场非稳态计算结果。从流场中的空化区域分布、叶片冲角及瞬态涡结构分布等角度对比分析空化现象对流场的影响。研究结果表明,当浮动转轮向两侧串动时,后盖板外壁面(平衡腔壁面)受到的轴向力对泵的总轴向力的大小和方向起着主导作用。在Δ-0.3mm结构时,平衡活塞的高压间隙变小,低压间隙变大,平衡腔内压力量级整体变小,合轴向力主要指向远离泵入口方向,并随着流量增加其绝对值先逐渐增加后平稳;在Δ+0.3mm结构时,高压间隙边大,低压间隙变小,腔内压力量级整体变大,合轴向力反向指向泵入口方向,由此合力方向的变化来实现轴向力自动平衡。空化流分析结果表明,空化区域首先在诱导轮和离心轮头部吸力面处产生,随着空化程度加重吸水室内出现空化并逐渐扩大。对于转轮叶片冲角而言,空化能够缓和来流冲击,有利于入口流动。分析流场涡结构分布,表明空化引起强烈的流场旋涡,该旋涡耗散是空化影响泵做功特性的因素之一。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V432
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本文编号：1202761