液體火箭發動機渦輪轉子超速離心變形特性研究

竇 唯，金志磊，閆宇龍

（北京航天動力研究所，北京100076）

0 引言

渦輪泵是液體火箭發動機的動力核心部件，其運行狀態的好壞將直接影響發動機的性能和可靠性。渦輪和葉輪等組件是渦輪泵重要組件，對其進行超速試驗是檢驗高速旋轉時穩定性的可靠保證。

由于渦輪轉子轉速高、動能大，實際工作中又受低溫、振動等多種復雜因素的影響，給渦輪轉子的結構強度帶來很大挑戰。為確保產品運行的結構強度及可靠性，研究渦輪轉子高速離心的變形特性在發動機研制中顯得尤為重要。

本文以某發動機渦輪、葉輪為研究對象，開展了高速離心變形特性研究。通過有限元分析得出了渦輪葉輪等部件的離心變形特性，通過超速試驗驗證了渦輪等部件的可靠性。

1 渦輪、葉輪及轉子離心變形特性研究

建立了渦輪、葉輪、轉子等部件的有限元模型，研究了高轉速離心力作用下渦輪、葉輪及轉子等零部件的變形特性。渦輪及葉輪為TC4鈦合金材料，轉子材料為GH4169。

根據渦輪、葉輪、轉子的三維模型采用網格劃分軟件對模型進行網格劃分。渦輪和轉子采用六面體結構化網格劃分，渦輪的網格總數為414 384，轉子網格總數為144 616個。由于葉輪的結構較復雜，因此一級葉輪和二級葉輪的網格采用四面體非結構化網格，并且采用對網格進行加密的方法來達到較高的求解精度，一級葉輪的網格總數為587 317個，二級葉輪的網格總數為701 385個。

下面以渦輪為研究對象進行分析，渦輪的網格模型及邊界條件設置如圖1所示。將網格文件導入到有限元結構分析軟件中進行分析計算。首先進行計算模型材料屬性設置、部件間的接觸和相互作用關系定義、載荷和邊界條件定義、分析步設置等。

通過有限元結構分析軟件計算渦輪在高速離心力載荷作用下的徑向變形，變形云圖及應力分布云圖如圖2所示。由圖可見，在66 000 r/min的轉速下，渦輪在徑向的最大變形為238.5 μm，最大變形出現在渦輪圍帶邊緣處。此時，渦輪所受最大應力為562 MPa。

圖1 渦輪網絡模型及邊界條件設置Fig.1 Network model and boundary conditions settings of turbine

同理得到一級葉輪、二級葉輪及轉子的變形云圖及應力分布云圖，如圖3至圖5所示。在66 000 r/min的轉速下，一級葉輪在徑向的最大變形為101.6 μm，最大變形出現在葉輪外徑邊緣處。相對于渦輪，離心力對一級葉輪的半徑的擴大影響較小。此時，一級葉輪所受最大應力為407 MPa。二級葉輪的最大變形為176 μm，最大變形出現在二級葉輪后凸肩密封環邊緣。二級葉輪所受最大應力為500 MPa。轉軸在徑向的最大變形為2.63 μm。由于軸的外徑較小，因此高速離心力的作用有限。此時，所受最大應力為73 MPa。

圖2 渦輪徑向變形云圖和應力分布云圖Fig.2 Nephograms for radial deformation and stress distribution of turbine

圖3 一級葉輪徑向變形云圖和應力分布云圖Fig.3 Nephograms for radial deformation and stress distribution of first-stage impeller

圖4 二級葉輪徑向變形云圖和應力分布云圖Fig.4 Nephograms for radial deformation and stress distribution of second-stage impeller

圖5 轉軸徑向變形云圖和應力分布云圖Fig.5 Nephograms for radial deformation and stress distribution of turbo-pump shaft

2 各部件離心變形分析

根據各渦輪泵轉子各零部件的有限元計算結果，在工作轉速66 000 r/min的離心力載荷作用下最大變形及變形處最大應力見表1和表2。

表1 各零部件變形及位置Tab.1 Deformation and position of each component

表2 離心變形最大應力Tab.2 Maximum stress of centrifugal deformation

由表1和表2可知，在高速離心力載荷作用下，兩級葉輪和渦輪均會產生較大的徑向變形，根據TC4鈦合金材料的屈服極限為825 MPa，GH4169材料的屈服極限為1 035 MPa可知，渦輪、葉輪及轉子最大應力遠小于材料的屈服極限，滿足結構強度設計要求。

3 試驗研究

為了驗證仿真分析的結果，在超速試驗臺上開展了渦輪、葉輪轉子超速、疲勞試驗。試驗臺為進口產品，最高工作轉速可達125 000 r/min，最高加熱溫度可達800℃，可以進行旋轉部件的超速試驗、疲勞試驗等試驗項目。

試驗研究分為超速試驗和疲勞試驗，具體實驗要求如表3和表4所示。根據試驗要求開展試驗研究。

表3 強度試驗參數表Tab.3 Parameter table for strength test

表4 疲勞試驗參數表Tab.4 Parameter table for fatigue test

試驗過程中，先將渦輪轉子在1 000 r/min的低速下旋轉，以釋放由于裝配緊固所產生的裝配應力，過濾掉啟動過程中的不穩定振動幅值，使測試數據平穩有效。

超速試驗數據如圖6所示，疲勞試驗數據如圖7所示。圖中橫軸為時間，縱軸為轉速和振動幅值，振動幅值以系統允許振動的百分比表示。

從圖6和圖7可以看出，在升速與降速的過程中軸振速度超出最大允許值的20%，這與通過轉子系統的臨界轉速有關；達到試驗要求轉速后軸振速度保持在15%以下，且波動不大。

圖6 超速試驗數據曲線Fig.6 Data curves of over-speed test

圖7 疲勞試驗數據曲線Fig.7 Data curves of fatigue test

試驗完成后，分別對以上3件試驗件進行無損探傷，檢驗報告結果均為合格，證明了所設計的渦輪葉輪滿足強度要求。

4 結論

本文針對某發動機渦輪轉子開展了高速離心變形特性研究。通過建立有限元模型，對渦輪葉輪等部件的離心變形特性和應力分布情況進行了分析，并通過超速試驗驗證了渦輪等部件的結構強度穩定性。本文所獲得的研究結論能夠為發動機的安全、可靠運轉提供支持。

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