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    某液體火箭發動機氫渦輪泵轉子動特性研究(中)

            氫渦輪轉子軸系動力學模型

    基于實驗轉子軸系建模方法,利用DyRoBeS大型動力學分析軟件建立氫渦輪轉子軸系動力學計算模型,并分析其轉子動力學特性,包括轉子系統臨界轉速、振型、穩態不平衡響應和轉子穩定性等。DyRoBeS作為一款面向工程的轉子動力學分析軟件,建模方便快捷,具有豐富的功能和可靠的計算精度,能夠很大程度上提高計算效率,保證計算結果的準確性。由于氫渦輪泵轉子軸系結構較為復雜,為建立能夠準確反映實際情況的轉子動力學算模型,建模時需要對轉子軸系進行合理的簡化。

    建模準則

    根據氫渦輪泵轉子軸系的結構特點,在建立轉子動力學計算模型時采用以下幾點建模細則:

    (1) 轉子軸上的軸套和葉輪輪轂等對轉子模態,尤其是高階模態有很大影響,考慮到轉子軸套和葉輪輪轂等對轉子剛度的加強作用,將軸套與葉輪輪轂等部件全部建立,采用實驗轉子軸系模型修正方法進行建模,轉子軸套和軸承內圈厚度取實際尺寸的0.5倍,質量不變,葉輪輪轂厚度不變,質量忽略;

    (2) 為進行氫渦輪泵各密封位置密封動態特性參數對轉子動力學特性的影響分析,在模型一級葉輪前后凸肩迷宮密封位置、級間密封位置、二級葉輪前后凸肩迷宮密封位置以及渦輪端三道氣流密封位置處建立節點,方便密封動態特性參數的施加;

    (3) 計算模型采用兩支點支承結構,支承位置僅考慮徑向支承剛度和阻尼,并假設工作時支承結構參數不發生變化;

    (4) 轉子系統結構中圓弧位置近似采用錐形有限元模型,對螺釘等部分小零件進行簡化,忽略轉子結構中倒角等微小的局部結構;

    根據建模細則在DyRoBeS動力學分析軟件中建立轉子動力學計算模型。模型節點的劃分如圖3-19所示,轉子軸一共劃分為86個單元。其中18、33、54、73、76節點處為輪盤集中質量施加點;30、38、48、52、56、68、70、73、74、76節點處為密封節點位置;40、44、60、64節點位置為轉子軸承節點位置,本次分析中采用兩支點結構分析轉子系統動力學特性,兩節點位置為42節點和62節點。

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    根據建模細則在DyRoBeS中建立的轉子動力學計算模型如圖3-20所示,其中a-e分別表示誘導輪、一級和二級葉輪以及一級和二級渦輪盤集中質量,用圓圈表示;A-H表示轉子各密封節點位置,用彈簧表示;1和2分別表示計算模型支承位置,用彈簧支承表示;轉子動平衡可選去重平面位于兩級葉輪以及兩級渦輪盤位置,即b、c、d、e.

    氫渦輪泵動力學計算模型參數

     (1) 計算模型材料及性能參數

    氫渦輪泵動力學計算模型各部件材料及性能參數如表3-4所示。

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    (2) 計算模型支承參數

    氫渦輪泵動力學計算模型采用兩支承結構,渦輪端和泵端鼠籠彈性支承按等剛度考慮,等效剛度根據氫渦輪泵轉子對應位置支承剛度取為7*107N/m;支承位置金屬橡膠阻尼器對氫渦輪泵轉子軸系穩定性具有至關重要的作用,計算模型阻尼值取為2N.s/mm。

    (3) 集中質量

    氫渦輪泵動力學計算模型誘導輪、兩級葉輪和兩級渦輪集中質量如表3-5所示。

    表3-5氫渦輪泵動力學計算模型輪盤集中質量

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    (4) 不平衡量施加位置及大小

    在分析氫渦輪泵轉子不平衡響應時需在一級葉輪、二級葉輪、一級渦輪和二級渦輪位置分別施加一定大小,相位角為0°的的不平衡量。由于氫渦輪泵轉子加工質量和裝配精度較高,且己做過低速動平衡試驗,動平衡精度滿足GB/T9239-1988G1級,故計算模型不平衡量施加大小取5g·mm。

     氫渦輪泵轉子動力學特性計算

    臨界轉速及振型

    根據建模準則以及模型參數建立的不考慮氫渦輪泵轉子各密封位置動態特性影響的氫渦輪泵動力學計算模型如圖3-21所示,對其動力學特性進行分析得到氫渦輪泵前三階臨界轉速、相對運行轉速的裕度以及對數衰減率如表3-6所示,轉子各階振型如圖3-20至3-22所示。

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           氫渦輪泵轉子常溫狀態下運行轉速為68000rpm。由計算所得數據可知轉子在運行轉速內跨過兩階臨界轉速,運行轉速介于二階和三階臨界轉速之間,二階臨界轉速與三階臨界轉速和運行轉速的裕度分別為37.3%和37.5%,可知氫渦輪泵轉子運行轉速選取較為合理。由氫渦輪泵轉子前三階臨界轉速下的對數衰減率可知在現有支承參數下轉子可穩定運行,其中二階臨界轉速下的轉子運行穩定性較好。

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    由氫渦輪泵轉子振型圖可知轉子一階和二階振型為剛性振型,三階為彎曲振型,說明氫渦輪泵轉子剛性較大,其中一階振型是由靜不平衡引起,二階振型由力偶不平衡引起,故后期轉子高速動平衡可初步采用雙平面動平衡方法。



    標簽: 火箭發動機轉子渦輪  

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