涡轮泵表面织构间隙密封-转子系统动力学特性研究
发布时间：2020-09-21 16:24
涡轮泵是液体火箭发动机的重要组成部件,其直接决定着火箭发动机能否安全运行。其中,液体密封是控制涡轮泵泄漏的关键,对于提高涡轮泵效率及降低转子振动具有重要意义。考虑到密封部件处于高压和低温并存的恶劣工况下,结构简单且不易发生变形的环形间隙密封常被用作控制液氧工质泄漏的主要密封部件。本文以液氧涡轮泵离心轮凸肩处的间隙密封为研究对象,提出一种在密封表面添加织构的新型液体密封,研究表面织构间隙密封的泄漏特性及密封-转子系统的动力学特性。首先利用CFD方法研究密封表面不同织构形貌及分布对泄漏特性的影响规律,以降低密封泄漏量为设计目标,得到较优化的表面织构间隙密封结构。并应用本文提出的密封泄漏特性及动力学特性试验方法,试验验证CFD方法计算准确性。进而针对表面织构间隙密封泄漏特性及动力学特性研究,提出一种CFD-Bulk flow混合计算方法。该方法首先对密封间隙内流动方程简化,构建变间隙高度Bulk flow模型;再通过CFD稳态流场仿真结果修正模型的入口压强损失系数及壁面阻力系数;最后应用有限元法对流场求解。与应用CFD动网格技术仿真对比,该方法计算可靠且具有高计算效率的优势。应用此方法,本文获得表面织构间隙密封在不同密封间隙、密封长度、压差、转速以及偏心率条件下的泄漏量和动力学特性系数变化规律;并对比无织构间隙密封,均得到泄漏量和刚度系数减小、阻尼系数增大的仿真结果。最终针对系统动力学特性研究,建立考虑部分轴段材料属性等效、轮盘结构简化和支承结构下的涡轮泵密封-转子系统有限元模型,自编程仿真计算临界转速及振型。并且提出一种考虑密封激励力与转子振动位移耦合的计算方法,仿真得到不平衡激励下轴端螺母、密封及泵端轴承处的振动响应。得到密封间隙减小及密封长度增大有利于降低涡轮泵转子振动水平的仿真结果。研究表明,相较于无织构间隙密封,本文所提出的表面织构间隙密封在泄漏量控制和减振方面均得到良好的效果,为液体火箭发动机涡轮泵性能的提升提供了技术支持。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V432
【部分图文】：
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章 绪 论背景及研究的目的和意义泵是液体火箭发动机的重要组成部件，对国家航天发展有着性能很大程度上反映了一个国家的工业发展水平。涡轮泵一份直联组成，通过燃气驱动涡轮，进而带动燃料泵旋转，对图 1-1 所示。由于涡轮泵是火箭发动机中的高速旋转部件，劣，大多数的发动机故障都发生在涡轮泵中。因此其可靠性重要[1]。
文所研究的非接触式密封可用性好、可靠性强、密封效果良好且可与其他密封组合应用[10]。其具体的主要形式包括：环形轴向密封、离心密封、可脱开的端面密封和唇形密封圈等[11]，本文主要对环形的轴向密封进行研究。间隙密封是一种最简单的密封形式，其利用密封液体在压差流动下，通过静、动部件之间微小间隙而产生的流阻来起到密封的作用。因此，为了实现良好的密封效果，其密封间隙往往较小，对于其加工和安装的精度都提出了较高的要求。随着转子系统高参数化的发展，间隙密封的动力学特性和泄漏特性较先进的密封技术还存在很大差距。因此发展了一种泄漏量较好的浮动环密封，其本质上可以认为是一种可随转子旋转的间隙密封，如图 1-2 所示。但对于浮动环密封深入研究的相关文献较少，其运动轨迹及自锁位置范围较不明确。Baheti[13和 Kirk[14]仿真得到浮动环密封可以跟随转子旋转，并锁定在某一个偏心位置上Duan W[15]仿真计算浮动环密封自锁位置，结果与试验[16]偏差较大。近年来，Xia P[17]对浮动环密封的自锁进行了研究，结果表明浮动环的运动逐渐向转子的涡动中心靠近，并且其自锁的位置与其自身端面的摩擦力有关，研究给出了浮动环稳定后的自锁位置范围。
文所研究的非接触式密封可用性好、可靠性强、密封效果良好且可与其他密封组合应用[10]。其具体的主要形式包括：环形轴向密封、离心密封、可脱开的端面密封和唇形密封圈等[11]，本文主要对环形的轴向密封进行研究。间隙密封是一种最简单的密封形式，其利用密封液体在压差流动下，通过静、动部件之间微小间隙而产生的流阻来起到密封的作用。因此，为了实现良好的密封效果，其密封间隙往往较小，对于其加工和安装的精度都提出了较高的要求。随着转子系统高参数化的发展，间隙密封的动力学特性和泄漏特性较先进的密封技术还存在很大差距。因此发展了一种泄漏量较好的浮动环密封，其本质上可以认为是一种可随转子旋转的间隙密封，如图 1-2 所示。但对于浮动环密封深入研究的相关文献较少，其运动轨迹及自锁位置范围较不明确。Baheti[13和 Kirk[14]仿真得到浮动环密封可以跟随转子旋转，并锁定在某一个偏心位置上Duan W[15]仿真计算浮动环密封自锁位置，结果与试验[16]偏差较大。近年来，Xia P[17]对浮动环密封的自锁进行了研究，结果表明浮动环的运动逐渐向转子的涡动中心靠近，并且其自锁的位置与其自身端面的摩擦力有关，研究给出了浮动环稳定后的自锁位置范围。
本文编号：2823711
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V432
【部分图文】：
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章 绪 论背景及研究的目的和意义泵是液体火箭发动机的重要组成部件，对国家航天发展有着性能很大程度上反映了一个国家的工业发展水平。涡轮泵一份直联组成，通过燃气驱动涡轮，进而带动燃料泵旋转，对图 1-1 所示。由于涡轮泵是火箭发动机中的高速旋转部件，劣，大多数的发动机故障都发生在涡轮泵中。因此其可靠性重要[1]。
文所研究的非接触式密封可用性好、可靠性强、密封效果良好且可与其他密封组合应用[10]。其具体的主要形式包括：环形轴向密封、离心密封、可脱开的端面密封和唇形密封圈等[11]，本文主要对环形的轴向密封进行研究。间隙密封是一种最简单的密封形式，其利用密封液体在压差流动下，通过静、动部件之间微小间隙而产生的流阻来起到密封的作用。因此，为了实现良好的密封效果，其密封间隙往往较小，对于其加工和安装的精度都提出了较高的要求。随着转子系统高参数化的发展，间隙密封的动力学特性和泄漏特性较先进的密封技术还存在很大差距。因此发展了一种泄漏量较好的浮动环密封，其本质上可以认为是一种可随转子旋转的间隙密封，如图 1-2 所示。但对于浮动环密封深入研究的相关文献较少，其运动轨迹及自锁位置范围较不明确。Baheti[13和 Kirk[14]仿真得到浮动环密封可以跟随转子旋转，并锁定在某一个偏心位置上Duan W[15]仿真计算浮动环密封自锁位置，结果与试验[16]偏差较大。近年来，Xia P[17]对浮动环密封的自锁进行了研究，结果表明浮动环的运动逐渐向转子的涡动中心靠近，并且其自锁的位置与其自身端面的摩擦力有关，研究给出了浮动环稳定后的自锁位置范围。
文所研究的非接触式密封可用性好、可靠性强、密封效果良好且可与其他密封组合应用[10]。其具体的主要形式包括：环形轴向密封、离心密封、可脱开的端面密封和唇形密封圈等[11]，本文主要对环形的轴向密封进行研究。间隙密封是一种最简单的密封形式，其利用密封液体在压差流动下，通过静、动部件之间微小间隙而产生的流阻来起到密封的作用。因此，为了实现良好的密封效果，其密封间隙往往较小，对于其加工和安装的精度都提出了较高的要求。随着转子系统高参数化的发展，间隙密封的动力学特性和泄漏特性较先进的密封技术还存在很大差距。因此发展了一种泄漏量较好的浮动环密封，其本质上可以认为是一种可随转子旋转的间隙密封，如图 1-2 所示。但对于浮动环密封深入研究的相关文献较少，其运动轨迹及自锁位置范围较不明确。Baheti[13和 Kirk[14]仿真得到浮动环密封可以跟随转子旋转，并锁定在某一个偏心位置上Duan W[15]仿真计算浮动环密封自锁位置，结果与试验[16]偏差较大。近年来，Xia P[17]对浮动环密封的自锁进行了研究，结果表明浮动环的运动逐渐向转子的涡动中心靠近，并且其自锁的位置与其自身端面的摩擦力有关，研究给出了浮动环稳定后的自锁位置范围。
【参考文献】
相关期刊论文 前9条
1 万轶;李建亮;;激光织构化形貌对密封配副摩擦学性能的影响[J];激光技术;2015年04期
2 李茂元;吴玉国;疏礼云;成思福;陈彬;;椭圆型表面织构对机械端面密封动压性能的影响[J];安徽工业大学学报(自然科学版);2015年01期
3 纪敬虎;符永宏;魏龙;华希俊;毕勤胜;;激光表面织构机械密封润滑特性的试验研究[J];排灌机械工程学报;2011年05期
4 彭旭东;梁世克;白少先;孟祥铠;盛颂恩;;激光加工多孔端面气体密封的临界静压开启特性[J];润滑与密封;2010年03期
5 晏鑫;李军;丰镇平;;孔型气体密封转子的动力特性研究[J];动力工程;2009年01期
6 王晓雷;王静秋;韩文非;;边界润滑条件下表面微细织构减摩特性的研究[J];润滑与密封;2007年12期
7 夏福强;李松涛;许庆余;;涡轮泵转子-迷宫密封系统的非线性稳定性和分岔[J];应用力学学报;2006年01期
8 李松涛,许庆余,万方义;迷宫密封转子系统非线性动力稳定性的研究[J];应用力学学报;2002年02期
9 吴建军，张育林，陈启智;大型泵压式液体火箭发动机故障综合分析[J];导弹与航天运载技术;1996年01期
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1 李志刚;袋型阻尼密封泄漏特性和转子动力特性的研究[D];西安交通大学;2017年
2 万轶;表面织构与合金化改善密封材料摩擦学性能研究[D];南京理工大学;2008年
本文编号：2823711
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