高压多氢涡轮泵转子动力学方案与试验研究报告

1、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 PressureMultistage LH2 TurbopumpXia Dexin

2、(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 st

3、ructural 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

4、动力学问题。在美国航天飞机主发 动机（SSME环口日本的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一般为大 流量低压比的涡轮，为了提高其效率往往采用两

5、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 P入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， 转子的工作转速一般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氢涡轮泵转子1一弹性支承；2涡轮盘；3一泵叶轮；4诱导轮；

6、5一阻尼器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，既能够减小转子的振幅，也能够减轻轴承的载荷，从而较好地保证转子的动态稳定性。具有弹性减振支承的转子振幅频率特性可按下式估算：Ay - (1)(:且d) + 痴一"u m式中S-工作转速；3 k-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，即两级涡轮盘与轴经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