液氧涡轮泵轴向力计算及空化流场分析
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
目录
摘要 .......................................................................................................................... I ABSTRACT .................................................................................................................. I 目录 ....................................................................................................................... I II 第1章绪论 .. (1)
1.1 课题来源及研究背景和意义 (1)
1.1.1 课题来源 (1)
1.1.2 课题研究的背景和意义 (1)
1.2 国内外涡轮泵的研究现状及分析 (4)
1.2.1 国外涡轮泵研究现状 (4)
1.2.2 国内涡轮泵研究现状 (6)
1.2.3 国内外文献综述的简析 (7)
1.3 本文的主要研究内容 (8)
1.3.1 泵轴向力计算 (8)
1.3.2 泵空化流场分析 (9)
第2章数值计算方法及计算模型 (10)
2.1 雷诺时均法基本理论 (10)
2.1.1 流体力学基本控制方程 (10)
2.1.2 SST湍流模型 (11)
2.1.3 数值计算方法 (13)
2.2 空化模型 (15)
2.3 流域几何模型及网格划分 (18)
2.3.1 流域几何模型 (18)
2.3.2 流域网格划分 (19)
2.4 数值计算边界条件设置 (23)
2.4.1 涡轮泵进出口条件设置 (23)
2.4.2 相邻计算域交界面条件 (23)
2.5 本章小结 (24)
第3章定间隙轴向力定常计算结果分析 (25)
3.1 网格无关性说明及计算结果验证 (25)
3.2 轴向力计算方案安排及测量设置 (26)
3.2.1 计算方案 (26)
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3.2.2 流道流量监测线设置 (27)
3.2.3 轴向力各压力积分部件 (28)
3.3 Δ0mm间隙组液氧泵定常结果分析 (29)
3.3.1 轴向力变化特性分析 (29)
3.3.2 Δ0mm间隙组外特性分析 (31)
3.3.3Δ0mm间隙组流道流量分布 (32)
3.3.4 Δ0mm间隙组转轮流区域场分析 (37)
3.3.5 特殊结果点间隙内流态分析 (52)
3.4 本章小结 (53)
第4章变轴向间隙定常结果对比分析 (55)
4.1 各间隙组外特性计算结果 (55)
4.2 后盖板间隙流动分析 (59)
4.2.1 速度场分析 (59)
4.2.2 后盖板外壁面压力场分析 (61)
4.3 前盖板间隙流动分析 (63)
4.3.1 速度场分析 (63)
4.3.2 前盖板外壁面压力场分析 (64)
4.4 本章小结 (66)
第5章涡轮泵空化流场分析 (67)
5.1 空化数σ介绍 (67)
5.2 不同空化工况对比分析 (67)
5.2.1 流场空化区域对比 (67)
5.2.2 空化场涡结构对比 (70)
5.2.3 空化场流道入口流线对比 (71)
5.3 空化流场细节对比分析 (72)
5.3.1 叶片入口冲角对比分析 (72)
5.3.2 过流部件压力分布对比分析 (73)
5.3.3 旋涡结构体积对比分析 (79)
5.4 σ=0.20空化场瞬态涡结构分布 (80)
5.5 本章小结 (88)
结论 (89)
参考文献 (90)
攻读硕士期间发表的论文及其他成果 (95)
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哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (96)
致谢 (97)
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第1章绪论
1.1 课题来源及研究背景和意义
1.1.1 课题来源
随着我国不断对外太空的探索和日益增长的太空开发需求，现有的火箭运载能力已经不能满足运载需求。与此同时，国家也将重载火箭作为下一代火箭开发的重点。本课题来源于中国航天科技集团公司第六研究院第十一研究所，以液氧涡轮泵为研究对象，研究涡轮泵的平衡活塞不同轴向间隙对泵的轴向力的影响。同时，泵内空化现象对泵运行会产生严重的振动，鉴于运行稳定性对火箭安全的重要性，并对涡轮泵运行空化进行初步的研究。
1.1.2 课题研究的背景和意义
经过多年的不懈努力，我国的运载火箭技术已经取得了令国人自豪的成就。但是，随着经济和科技的长足发展，现有的火箭运载能力已不能满足日益增长的运载需求。国外已有大推力液氧/煤油或液氢/液氧发动机投入使用，如阿里安5、宇宙神3A、天顶3SLH-2A等[1]。虽然我国的重载火箭技术研发已经启动，但由于我们起步较晚，较之于国外还处于落后状态。
火箭发动机大致上可以分为三类：固体火箭发动机、液体火箭发动机和其他能源的火箭发动机(电火箭发动机和核火箭发动机)。固体火箭发动机的燃料为固体药柱，可以人为加工，以实现有利燃烧的结构，因此固体火箭发动机有很好的启动和燃烧性能，但它不能反复启动，多用于一次性使用。液体火箭发动机使用的是液体燃剂，燃剂的输入量可以通过减压器调定的压力控制，因此比固体火箭发动机的控制性好。它还有的优点是比冲高(250~500秒)、推力范围较大(1克力~700吨力)、能反复启动、推力大小可控等[2-4]。电火箭发动机具有极高的比冲和更长的寿命，一般用于航天器的姿态调整。
涡轮泵作为内燃式火箭发动机的核心部分，其主要作用是供给发动机推进剂或者燃料，而它的工作稳定性、安全性和可靠性直接关系到整个火箭的运行安全。涡轮泵的基本结构包括蜗壳、径向导叶、离心轮、诱导轮、吸水室、轴、轴承和密封件等。其中，诱导轮和离心轮直联固定于转轴上，并与轴承构成涡轮泵的转子部分，转子部分的动力来源于发动机燃烧后的高速气体[3]。其他的