高压多氢涡轮泵转子动力学方案与试验研究报告

高压多级氢涡轮泵转子动力学设计与实验研究

夏德新

(北京液体火箭发动机研究所,北京，100076>

摘要转子动力学问题是液体火箭发动机氢涡轮泵研制中最复杂的问题之一。为了保证高速转子的稳定工作，必须对转子进行多方面的研究和实验。介绍了在高压多级氢涡轮泵研制过程中转子的结构设计，临界转速计算和转子动力学的实验研究等内容。

关键词涡轮泵，氢氧发动机，转子，动力学。

Design and Experimental Study on Rotor Dynamics of High Pressure Multistage LH2

Turbopump

Xia Dexin

(Beijing Institute of Liquid Rocket Engine,Beijing,100076>

Abstract The problem of the rotor dynamics is one of the most complex problems in research of LOX/LH2 engine LH2 turbopump. To guarantee the stability of rotor, experimental research on rotor dynamics is necessary. This paper introduces structural design of rotor, computation of critical speed and experimental study on rotor dyna

mics of high pressure multistage LH2 turbopump.

Key Words Turbopump, Hydrogen oxygen engine,Rotor,Dynamics.

1 引言

国内外研制经验表明，高压多级氢涡轮泵是氢氧发动机中技术最复杂、难度最大的组件。氢涡轮泵的最大特点是其转子为高转速的柔性转子，工作在二、三阶临界转速之间。在以往氢涡轮泵的研制过程中都出现过转子动力学问题。在美国航天飞机主发动机(SSME>和日本的LE-7发动机的氢涡轮泵中，也都出现过转子的失稳问题。在氢涡轮泵的研制过程中，由于转子动力学问题是一个非常敏感和复杂的问题，它所涉及的因素很多，需要仔细地加以研究和分析。因此对氢涡轮泵进行转子动力学设计和实验研究，是十分必要的。此项工作已是国外大推力火箭发动机研制过程中不可缺少的一项。

2 氢涡轮泵转子的设计计算

2.1 结构设计

在氢涡轮泵中，由于液氢的密度很低，氢泵的扬程很高，为了提高其效率并保证强度的需要，应采用多级泵并提高其转速。这使氢涡轮泵转子向柔轴发展。而补燃式发动机的涡轮通常为大流量低压比的涡轮，为了提高其效率往往采用两级反力式。这样就增加了转子结构的复杂性，并带来了附加轴向力，这都对转子的设计提出了更高的要求。

在转子的设计中，借鉴了美国SSME氢涡轮泵、俄罗斯PД-0120氢涡轮泵、日本LE-7氢涡轮泵、法国HM-60氢涡轮泵及中国氢涡轮泵等多种型号的结构形式。根据国内外发动机的研制经验，在大推力火箭发动机的氢涡轮泵中极易出现转子不稳定的现象，这是由氢涡轮泵结构的复杂性和其恶劣的工作条件造成的，转子的工作转速通常都在二阶临界转速以上。针对这一特点，高压多级氢涡轮泵转子(见图1>要按柔性转子的特性进行设计，因此采用了以下几项措施：

图1

1—弹性支承；2—涡轮盘；3—泵叶轮；4—诱导轮；5—

a> 采用双列轴承及在每列轴承中间加预载的方式，有助于提高轴承的支承能力。

b> 由于氢涡轮泵在二、三阶临界转速之间工作，因此，为了保证其从启动到关机的整个工作区域内能够稳定地工作，在涡轮端和泵端都采用了具有阻尼特性的弹性支承结构，即在鼠笼式弹性支承内加入金属橡胶阻尼器。转子的支承刚度由鼠笼、轴承和阻尼器的组合刚度确定。同时，金属橡胶阻尼器具有很大的阻尼作用，既可以减小转子的振幅，也可

频率特性可按下式估算：

式中ω--工作转速；

ωk--临界转速；

a--阻尼特性系数；

e--偏心量；

m--计算质量。

c> 采用盘轴一体的涡轮转子，即两级涡轮盘与轴通过长螺栓组成不可拆卸的整体结构。这样可使涡轮泵转子具有较大的刚性。在国外典型的补燃式发动机的氢涡轮泵中，其中包括美国的SSME、俄罗斯的PД-0120，日本的LE-7都是采用这种刚性较强的盘轴一体结构，甚至法国的开式系统发动机HM-60的涡轮泵，为了提高轴系的刚性和整个涡轮泵的性能，也将原来的中心拉杆式的转子改为现在这种盘轴一体形式。

盘轴一体的转子的另一个优点是转子组合动平衡相对简单，且组合动平衡后装配的再现性好。

d> 两级钛合金氢泵叶轮通过螺母压紧在涡轮转子上，轴系的刚度是由整体转子和套在其外面的离心轮的轮毂组成。因而从整个轴系来看各处的刚性都较大。而由于氢泵材料为钛合金，所以整个转子的质量也较轻。

2.2 临界转速与应变能的计算与分析

氢涡轮泵转子工作在二、三阶临界转速之间，在设计涡轮泵转子时，必须保证其工作转速距离二阶和三阶临界转速有足够的裕度，根据燃气涡轮发动机结构设计准则［1］和美国军用标准［2］

1.2n cr2＜n＜0.8n cr3 (2>

式中n--

n cr2--二阶临界转速；

n cr3--三阶临界转速。

转子弯曲应变能不能超过该阶振型总应变能的25%。因此，对转子进行临界转速和应变能的计算，是氢涡轮泵设计中的重要内容。

采用多种计算方法对氢涡轮泵转子进行了临界转速计算。计算结果表明，在弹性支承刚度为1×107～5×107N/m范围内可将转子临界转速调节到：一阶在10 000 r/min左右，二阶在20 000r/min左右，三阶在45 000 r/min左右。涡轮泵额定转速为35 000r/min，处于二阶和三阶临界转速之间。表1为采用矩阵传递法计算得到的临界转速和应变能［3］。当涡轮端和泵端的支承刚度都为1×107 N/m时转子的振型图见图2，图3为转子的稳定工作区。