径流式涡轮在膨胀循环发动机氢涡轮泵中的应用

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1、第38卷第3期火箭推进Vo1．38，No．32012年6月JOURNALOFROCKETPROPULSIONJun．2012径流式涡轮在膨胀循环发动机氢涡轮泵中的应用杨凡，叶小明(1冲国运载火箭技术研究院，北京，100076；2．北京航天动力研究所，北京，100076)摘要：为满足膨胀循环液体火箭发动机高性能和高可靠的研制要求，在氢涡轮泵方案的选择上采用了径流式氢涡轮方案。通过一维热力和三维结构设计，初步验证了径流式氢涡轮应用可行性。借助于CFD分析软件，完成了该涡轮设计工况全三维粘性数值模拟，证明性能满足指标要求。通过强度优化设计和轴向力平衡两方面研究，突破了涡轮泵应用的两大技术难点。结

2、合该涡轮介质试验及发动机热试车考核情况，得出径流式涡轮能够应用于膨胀循环发动机氢涡轮泵的结论。关键词：膨胀循环；径流式涡轮；数值仿真；强度优化；轴向力平衡；热试车中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2012)03-0040-06ApplicationofradialturbineinhydrogenturbopumpofexpandercyclerocketengineYANGFan，YEXiao—ming：(1．ChinaAcademyofLaunchVehicleTechnology，Beijing100076，China；2．BeijingAeros

3、pacePropulsionInstitute，Beijing100076，China)Abglraet：Inordertomeetthehigh—performanceandhighreliabilityrequirementsindevelopmentoftheexpandercycleliquidrocketengine，theradialturbinewasadoptedintheschemeselectionofhydrogenturbopumps．Thefeasibilitywaspreliminarilyverifiedthrough1Dthermaldesignand3Ds

4、tructuredesign．WithCFDanalysissoftware，thefull3Dviscositynumericalsimulationwascom—pletedunderturbo’Sdesignworkingconditions，provingthattheperformancecouldmeetthequalifi—cationrequirement．Twomaintechnicalproblemsinturbopumpapplicationsweresolvedthroughs~engthoptimumdesignandaxia1forcebalanceresear

5、ch．Incombinationwiththeresultsobtainedinmediumtestandhottest，aconclusionthattheradialturbinecanbeappliedtothehydrogenturbop—umpofexpandercycleenginewasachieved．~ords：expandercycle；radialturbine；numericalsimulation；strengthoptimization；axialforcebalance；hottest收稿日期：2011-11-14；修回日期：2012—02—06基金项目：国家

6、“863”项目(2009AA70205l2)作者简介：杨凡(1981一)，男，工程师，研究领域为液体火箭发动机涡轮泵设计及型号质量管理第38卷第3期杨凡，等：径流式涡轮在膨胀循环发动机氢涡轮泵中的应用45成喷嘴后压力pt变化O．1MPa左右，这会产生附2)当径流式涡轮与轴采用花键配合时，在加的轴向力。通过轴向力对喷嘴出口压力波动的高转速下VonMises等效大值发生在位于键槽背敏感度分析，可以做到对轴向力的变化范围心中向叶片方向一端的齿根处，但通过调整叶轮背部有数，从而避免轴承由于承受过大轴向力而失的型线可以明显地改善轮盘的应力分布以及叶片效，首次试车时更要注意这种情况。轴向力对喷的变形大

7、小，从而有效提高涡轮盘的安全系数。嘴出口压力的导数为3)由于高转速下轴承承受轴向力的限制，aFa1aa2膨胀循环发动机中径流式涡轮在实际应用时必须—．印。印。印印。考虑到轴向力的有效平衡。研究表明，改变涡轮端密封直径的大小可以有效地解决这一问题。=!i±塾±垫』．．D2sf、Dl+D21／一64s4)根据发动机热试车及分解检查情况，径＼2流式涡轮性能、结构和协调性都能够满足膨胀循一D：)(5)环氢氧发动机应用要求。△【6