液体火箭涡轮泵结构设计 [文档在线提供]

一、涡轮泵结构设计的基本特性涡轮泵的基本工作参数是由动力装置根据其任务提出来的。

要满足这些参数要求和提高涡轮泵的参数，需要完善的和可靠的结构设计来保证。

这就需要对涡轮泵的结构特性和配置方案从设计、工艺及材料诸方面进行深入的研究，需针对发动机的结构特点以及推进剂的种类等进行优化设计，选择最佳的结构方案。

二、涡轮泵装置的配置方案涡轮泵在发动机中的配置应能保证由贮箱至泵、至燃气发生器、至发动机推力室的管路以及将工质供入涡轮的导管具有最佳的流体动力学特性。

涡轮泵的配置、扭矩传递方案、泵和涡轮的类型对涡轮泵的装置结构有很大影响。

涡轮功率传递（给一个或多个推进剂泵）的设计方案或集合布局有好多种，部分在图1中示意的画出了。

如果发动机推进剂的密度比较接近,则燃料泵和氧化剂泵的轴转速也比较接近，两种泵可以安置在同一轴上，由单个涡轮驱动。

如果泵的最佳转速和涡轮最佳转速之间不匹配，为了减轻死重、减少涡轮燃气质量，可在它们的轴之间设置齿轮变速箱。

但是为了避免复杂的齿轮箱，在这里牺牲了效率和驱动涡轮的推进剂量，而采用直接传动的方式。

在所有单转子涡轮泵中，结构最简单、可靠性较高的是悬臂配置的冲压式涡轮的单轴式涡轮泵（图一各种涡轮泵设计布局简要示意图a）。

这种配置可以简化燃料泵的密封装置，这对自然推进剂很重要；而氧化剂泵的轴向入口有助于提高泵的抗气蚀性能。

在补燃发动机中，当采用反力式向心涡轮时，悬臂式配置便成为唯一可行的方案。

悬臂式涡轮可减轻涡轮入口和出口的质量，是结构紧凑。

同时可排除由于温度变形和加工精度不够高对轴承工作的影响，排除对远离涡轮的氧化剂泵的热影响。

需要指出的是，实际上在影响涡轮泵配置方案选择的诸因素中，许多项是相互矛盾的。

因此，不能只考虑某一因素，而需要针对各飞行器任务对主要的火箭发动机组件，主要准则（高性能或高效率、最小质量、高可靠性以及低成本）进行权衡和择优，同时将结构简单、工艺性好、涡轮泵及整个动力装置的质量最小作为基本标准，才能获得良好的机构设计。

综合上述原因，在本设计方案中采用了单轴悬臂式的配置。

a、与涡轮同轴的两泵周从燃料泵进口穿过Gb、各带一泵的双涡轮，燃气并联流过两个涡轮（另一种方案为燃气串联先后流过两个涡轮）c、涡轮居中直接驱动两泵，轴穿过涡轮出口集合器d、带齿轮箱，涡轮转速可提高，两泵转速不同e、两个主泵，两个预压泵，各有其涡轮图1 各种涡轮泵设计布局简要示意图。

F 为燃料泵，O 为氧化剂泵，T 为涡轮，G 为高温燃气，GC 为齿轮箱三、氧化剂泵的设计随着现代液体火箭发动机燃烧室压力的增加，涡轮泵的性能参数也不断提高，再考虑到在燃气发生器和涡轮流道中有较大的压降，要求泵必须具有较高的压头。

在研制高转速、高效率、小尺寸、小质量的涡轮泵时，主泵常采用离心式泵。

根据发动机的要求得出发动机氧化泵如下设计数据和实验模型的实验结果： 要求的泵压头，893.064H mm ∆=要求的泵流量，30.94/Q m s =泵轴转速，N=7000转/分 泵的比转速，1980S N =泵的临界净抽吸压头，()17.6784c NPSH m=泵的实际抽吸比转速，()37230ss N =由实验泵的总压头系数，0.46ψ=诱导轮的基本形状（锥形的叶尖和轮毂，如图2、锥形诱导轮）流动方向图2 锥形诱导轮诱导轮压头系数0.46ψ= 诱导轮直径比，0.3d r =诱导轮比，/0.4i t L d =诱导轮进口叶尖处的冲角，4i =（最大） 诱导轮叶尖轮廓锥形半角=7 诱导轮轮毂锥形半角=14根据平均叶尖直径计算的诱导轮稠度， 2.2t d =诱导轮渗漏损失，0.032ee Q Q=叶轮基本型式=在进口处有混流式叶片的径向流式叶轮（如图3、叶轮进口处有混合流式叶片的径向流）如图3 叶轮进口处有混合流式叶片的径向流式叶轮叶轮的抽吸比转速，()11000ss imp N =叶轮的出口叶片角，224β=叶轮在进口处的收缩系数，10.82ε= 叶轮在出口处的收缩系数，20.88ε=叶轮效率，0.74v ε=叶轮的渗漏损失，0.035e Q Q= 泵蜗壳的压头损失，0.19e H H=根据上述数据可设计和计算（a ）诱导轮、（b ）叶轮的基本参数和尺寸 （a ） 氧化剂泵诱导轮叶轮的临界净正抽吸压头0.5 1.333()[]89.3064()imp ss impNQ NPSH m N == 诱导轮必需的压头升高()()()()71.628ind imp ind imp c H NPSH NPSH NPSH NPSH m∆=-=-=诱导轮的平均叶尖速度108.204/t u m s ==诱导轮的平均叶尖直径720295.148t t d u mm Nπ==在给定/0.4i t L d =的情况下，诱导轮的轴向长度0.4118.11i t L d mm =⨯=对于给定叶尖轮廓锥形半角为7o 时，诱导轮进口处的叶尖直径为02tan 7309.6262o it t L d d mm =+⨯⨯= 诱导轮出口处的叶尖直径12tan 7280.672o it t L d d mm =-⨯⨯= 轮毂平均直径88.646h t d d d r mm ==对于给定轮毂轮廓锥形半角为14o 时，诱导轮进口处的轮毂直径为02tan1459.1822o ih h L d d mm =-⨯= 诱导轮出口处的轮毂直径12tan14118.112ih h L d d mm =+⨯= 由给定的诱导轮渗漏损失0.032ee Q =和叶轮渗漏损失10.01752e Q =，求得必需的诱导轮流量310.181/2ind ee e Q Q Q Q m s =++=诱导轮进口实际流速0'c （等于它的子午线方向分量0m c ，假设它的切向分量0m c =0；0'0α=）002200'11.34/3.12()4indm t h Q c c m s d d π===⨯-诱导轮出口绝对流速的子午线方向向量1221116.185/3.12()4indm t h Q c m s d d π==⨯-诱导轮在进口处的平均有效直径0222.504d mm ==诱导轮在0d 处的圆周速度07000222.50481.6864/720u m s π⨯=⨯=诱导轮在出口处的平均有效直径1214.63d mm ==诱导轮在1d 处的圆周速度17000214.6378.7908/720u m s π⨯=⨯=诱导轮出口绝对速度的切向分量11'8.9/u indgc H m s u =∆=诱导轮设计的进口相对流速0'82.48/v m s == 诱导轮设计的进口相对液流角0000sin '0.135;'745''o m c v ββ===诱导轮设计的出口绝对流速1'18.44/c m s == 诱导轮设计的出口绝对液流角1111tan ' 1.82;'6113''o m u c c αα===诱导轮设计的出口相对流速1'71.628/v m s == 诱导轮设计的出口相对液流角11111tan '0.232;'133''m u c u c ββ===-由于诱导轮的气蚀性能跟诱导轮进口叶尖处叶片前缘的冲角以及诱导轮出口流量系数ind φ有很大关系，我们现在来求诱导轮进口叶尖处的叶片角0t θ，并检验之。

诱导轮进口的叶尖速度00113.538/720t t Nu d m s π⨯==诱导轮进口叶尖处的相对液流角0000tan '0.0998;'542'o m t t tc u ββ=== 如果我们采用在诱导轮进口叶尖处的叶片角为0'9o t β=，则进口叶尖处的冲角00'318'(4,)o o t t θβ-=<满足要求诱导轮进口平均有效直径0d 处的叶片角0θ，00000tan tan 0.220;1225'o tt d d θθθ=== 诱导轮进口轮毂直径0h d 处的叶片角0h θ，00000tan tan 0.829;3940'o th t h hd d θθθ=== 诱导轮进口流量系数000.0998m ind tc u φ== 诱导轮的理论抽吸比转速20.7520.58150(12)()(1)7570037300ind ss ind d ss ind N r N φφ-=-=>=如果我们采用在诱导轮出口平均直径1d 处的叶片角1θ为1430'o ，则1θ与出口相对液流角1'β之差为11'127'o θβ-=，这考虑了局部环流（边界效应）的影响。

诱导轮出口叶尖直径1t d 处的叶片角1t θ:11111tan tan 0.198;tan 1112'o t t td d θθθ=== 诱导轮出口轮毂直径1h d 处的叶片角1h θ：11111tan tan 0.471;tan 2513'o h t hd d θθθ=== 我们将采用三叶片（z=3）。

叶片在叶尖平均直径t d 处的节距309.372ti d P mm zπ==叶尖处的弦长可由下式计算10674.878sin()2ii t t L C mm θθ==+根据叶尖平均直径t d 计算的诱导轮稠度： 2.18iv iC S P == 发动机氧化剂泵诱导轮设计一览所需的压头和流量71.628ind H m ∆=，30.181/ind Q m s = 进口速度图（在进口平均有效直径0d 处）：0'90o α=，0'745'o β=081.6864/u m s =，0'82.48/v m s = 00'11.34/m c c m s ==，00u c =出口速度图（在出口平均有效直径1d 处）：1'6113'o α=，1'133'o β=1178.7908/,'71.628/u m s v m s == 11'18.44/,'8.9/u c m s c m s ==116.185/m c m s =诱导轮的轴向长度，118.11i L mm =叶尖处锥形半角：7o ；轮毂处锥形半角：14o 进口尺寸：000309.626,59.182,222.504t h d mm d mm d mm ===在0t d 处的叶片角，09o t θ= 在0h d 处的叶片角，03940'o h θ= 在0d 处的叶片角，01225'o θ= 出口尺寸：111280.67,118.11,214.67t h d mm d mm d mm ===在1t d 处的叶片角，11112'o t θ= 在1h d 处的叶片角，12513'o h θ= 在1d 处的叶片角，11430'o θ= 叶片数目，z=3在叶尖处的稠度， 2.18v S = 进口流量系数，0.0998ind φ= （b ） 氧化剂泵的叶轮这里将采用如图2所示的叶轮进口处有混合流式叶片的径向流式叶轮。