● 摘要
随着液体火箭发动机涡轮泵工作压力和转速的提高，在涡轮泵密封处会产生较大的流体诱导力，这种诱导力将引起转子的次同步进动失稳。涡轮泵转子上的环形密封产生的流体诱导力已被证实是引起涡轮泵转子失稳的主要原因之一。建立密封小间隙流动的精确模型，研究密封流体诱导力对转子动力特性的影响，发展准确、高效的失稳预测方法，对于液体火箭发动机涡轮泵的研制具有重要的理论意义和工程应用价值。本文对密封整体流模型和基于CFD分析的稳定性分析方法进行了综述，指出转子/密封稳定性研究的发展方向，一是发展适应性强的密封流场分析和转子动力特性分析的数值计算技术，在转子设计阶段进行流体诱导稳定性分析，二是利用密封刚度阻尼特性，改善转子动态特性。针对先进大推力液体火箭发动机涡轮泵，总结了用于复杂结构转子动力特性分析的整体传递矩阵法的特点，给出了计算分析流程，并利用其对液氢涡轮泵、液氧涡轮泵以及液氧煤油涡轮泵的转子动力特性进行了分析。针对液体火箭发动机涡轮泵中的高压差环形密封，分析、总结了基于Hirs紊流整体流模型的转子动力系数计算分析方法及分析流程。利用所发展的计算程序对液氢涡轮泵转子上的8处环形密封和液氧煤油涡轮泵转子上的5处环形密封的转子动力系数进行了分析。采用整体传递矩阵法，结合涡轮泵高压差环形密封的流体诱导力模型、轴流涡轮叶尖间隙激励(Alford力)模型，以及叶轮-扩压器流体诱导力模型，对液氢涡轮泵和液氧煤油涡轮泵进行了转子稳定性分析。液氢涡轮泵的转子稳定性分析中，给出了不同支承阻尼对失稳(门槛)转速的影响、有阻尼进动频率随转速变化的关系、对数衰减率随转速的变化规律。结果表明，增加支承阻尼和进口反预旋，可以提高转子的稳定性。液氧煤油涡轮泵的转子稳定性分析表明：在所考查的参数范围内，此涡轮泵转子是稳定的；计及密封附加刚度影响的临界转速比不计此影响时有所提高。给出了一种基于三维流场分析的确定环形密封转子动力系数的方法及其分析流程，其中利用大型通用程序的流场分析功能，采用 紊流模型的三维粘性流场分析方法，对环形密封静平衡位置及在静平衡位置上分别施加两个方向的位移和速度小扰动后的定常流场进行了压力场求解，通过4个小扰动下的流场压力与静平衡位置的流场压力的差值，积分得到环形密封的流体动力扰动量，进而求得环形密封的转子动力系数。实际算例结果表明：总体上本文的计算结果与实验值较为吻合，并且计算得到的刚度系数随偏心率变化的规律及其趋势与实验结果的规律是一致的。对实际液氢涡轮泵上8处环形密封的转子动力系数进行了计算分析，针对支承阻尼为0的情况，对该液氢涡轮泵的转子稳定性进行了分析。结果表明：采用CFD分析方法和整体流模型分析方法，得到的液氢涡轮泵转子稳定性的规律是一致的，转子的失稳(门槛)转速略有差别。实验与实际试车结果表明：本文给出的计算方法及其分析流程是合理、有效的和切实可行的，可以用于液体火箭发动机涡轮泵的转子稳定性预测分析。