涡轮泵设计5-2

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5.2 涡轮泵总体设计
5.2.2 涡轮泵总体结构布局 涡轮泵装置中转子数目的
不同，涡轮泵的总体结构型式 为单转子方案和多转子方案。
单转子方案应用最广，燃 料泵、氧化剂泵和燃气涡轮同 在一根轴上，结构简单，具有 很高的可靠性。
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Chapter 5
12
5.1 涡轮泵总体设计
5.1.1 涡轮泵总体方案的设计 (2)计算两泵的有效净正抽吸压头
泵的有效净正抽吸压头为泵入口处推进剂的滞止压头（总 压头）与其饱和蒸汽压头之差。
H net
=
pinP
ρg
+
c2 inP
2g
−
pv
ρg
(5.3)
临界净正抽吸压头
H necr
=
pinPcr
ρg
+
c2 inP
2g
−
pv
ρg
(5.4)
此时，泵入口处的压强 pinPcr 为泵不发生汽蚀的最小值。
采用国际标准单位时，(5.6)换算为
nsscr
=
298
ω
(H
qvP )3/4
necr
泵不发生汽蚀的最高转速 nmax为 其中，1.5为安全系数。
nmax
≤
(
H necr 1.5
)3/4
⋅ nsscr
5.62 qvP
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Chapter 5
(5.5) (5.6) (5.7) (5.8)
涡轮要悬臂配置的原因：
涡轮工质为富燃料或富氧燃气对配置的影响：
开式循环和闭式循环两种方案各自的特点 ：
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Chapter 5
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uave = x ⋅ cad
(5.18)
(12)由涡轮的平均半径处的周向速度 uave和涡轮转速 nT (或角速
度 ω )，计算得到涡轮的平均半径
Dave
=
60uave
π nT
=
2u
ω
(5.19)
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Chapter 5
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5.2 涡轮泵总体设计
5.1.1 涡轮泵总体方案的设计 (14)由涡轮的功率计算不同方案涡轮所需的工质流量
cad = 2Lad
(5.16) (5.17)
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Chapter 5
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5.21 涡轮泵总体设计
5.1.1 涡轮泵总体方案的设计 (11)根据发动机的要求，选定涡轮泵可供选择的不同方案，相 应地选择可能达到的涡轮转速和效率。由已有的实际涡轮的性 能曲线选取 的比值 uave / cad x ，得到不同总体方案中，涡轮的平均 半径处的周向速度
5.2 涡轮泵总体设计
5.2.1 涡轮泵总体方案的设计 涡轮泵的设计根据发动机系统所要求的涡轮泵的设计参
数、结构方案和特定技术条件进行，又因涡轮泵的复杂性，新 的涡轮泵的设计往往参照已有涡轮泵的设计经验和参数选择原 则进行。
进行涡轮泵总体方案的初步选择，首先计算泵的体积流 量： 涡轮泵推进剂组元的质量流量由发动机的推力的确定
5.1.1 涡轮泵总体方案的设计 涡轮泵总体方案的初步计算
(1)计算氧化剂泵和燃料泵的压头
HP
=
peP − pinP
ρg
+
ce2P
−
c2 inP
2g
HP
=
peP
− pinP
ρ
+ ce2P
−
c2 inP
2
(5.1) (5.2)
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5.2 涡轮泵总体设计
量组成。
发动机的组元比为
rm = qmo / qmf
其中，qmo—氧化剂的质量流量；
qmf —燃料的质量流量。
氧化剂泵的体积流量
qvo
=
qmo
/பைடு நூலகம்
ρo
=
rm 1 + rm
qm
燃料泵的的体积流量
qvf
=
qmf
/ ρf
=1 1 + rm
qm
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Chapter 5
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5.2 涡轮泵总体设计
其中，
qm = F / Is
qm
—涡轮泵推进剂组元的质量流量,为氧化剂和燃料质量 流量之和。
F —发动机的推力；
I s —发动机的比冲。
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Chapter 5
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5.2 涡轮泵总体设计
5.1.1 涡轮泵总体方案的设计
泵的体积流量由氧化剂泵的体积流量和燃料泵的的体积流
NT = NoP + NfP
(5.15)
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5.2 涡轮泵总体设计
5.1.1 涡轮泵总体方案的设计 (9)计算涡轮的绝热功(等熵膨胀功)
Lad
=
k
k −
1
RT0*[1
−
(
1
p0*
)
k −1 k
]
P2
(10)计算燃气在喷嘴中为定熵绝热流动下的出口速度 对于单级冲击式涡轮为
qmT
=
NT
LadηT
(5.20)
¾有了氧化剂泵和燃料泵的体积流量、压头、有效净正抽吸压
头、最高转速、比转速、效率等可以对泵进行设计。
¾有了涡轮的定熵绝热功、定熵绝热流动下的出口速度、
涡轮转速和效率、平均半径处的周向速度等可以对泵进行设
计。
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5.2.2 涡轮泵总体结构布局
单转子涡轮悬臂配置的RD－119液体火箭发动机涡轮泵
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Chapter 5
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5.2 涡轮泵总体设计
5.2.2 涡轮泵总体结构布局
航天飞机主发动机(SSME) 液氢涡轮泵的结构图
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Chapter 5
Chapter 5
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5.1 涡轮泵总体设计
5.1.2 涡轮泵总体结构布局
带有齿轮传动的涡轮泵结构
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Chapter 5
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5.1 涡轮泵总体设计
5.1.1 涡轮泵总体方案的设计 讨论 涡轮泵转子轴的数量：
涡轮泵转子支承的数量：
氧化剂泵和燃料泵可以“面对面”或“背靠背” 的影响：
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Chapter 5
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5.2 涡轮泵总体设计
5.1.1 涡轮泵总体方案的设计 (6)计算两泵所需要的功率
NP
=
gqmPH P
ηP
(5.13)
(7)估算两泵叶轮的外径
D2
=
60
π nP
HPg
ψH
(5.14)
(8)计算涡轮所需的功率，其由泵所需的功率决定,即为氧化剂 泵和燃料泵所需功率之和
ω qvP / 2
(H P )3/4
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Chapter 5
(5.9) (5.10)
(5.11)
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5.2 涡轮泵总体设计
5.1.1 涡轮泵总体方案的设计
(5)根据泵的比转速值，参考已有泵的相关数表，近似估算泵可
能达到的效率
ηP = ηhηvηm
(5.12)
其中， ηP —泵的总效率，一般为0.6～0.85； ηh —泵的水利效率，一般为0.75～0.92； ηv —泵的容积效率，一般为0.9～0.95； ηm —泵的机械效率，一般为0.9～0.98。
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5.1 涡轮泵总体设计
5.2.2 涡轮泵总体结构布局
航天飞机主发动机(SSME)液氧涡轮泵的结构图
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Chapter 5
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5.1 涡轮泵总体设计
5.2.2 涡轮泵总体结构布局 单转子方案加入齿轮系统进行变速，就形成了多转子方
案。
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5.2 涡轮泵总体设计
5.1.1 涡轮泵总体方案的设计
(4)分别计算出两泵的比转速
泵的比转速为
ns
=
193.3
ω
(H
qvP )3/4
P
根据泵的比转速可以确定泵的类型。对于多级泵
ns
= 193.3 ω qvP
( H P )3/4
ims
其中，ims —多级泵的级数。
对于双面进液的离心叶轮
ns
=
193.3
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Chapter 5
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5.2 涡轮泵总体设计
5.1.1 涡轮泵总体方案的设计 (3)选择临界气蚀比转速，计算得到泵允许的最高转速
泵的汽蚀比转速为泵汽蚀的相似准则数
泵的临界汽蚀比转速为
nss
=
5.62
nP (H
qvP )3/4
ne
nsscr
=
5.62
nP qvP (Hnecr )3/4