[发明专利]一种考虑密封耦合作用的涡轮泵流体激振预测方法

说明书

本发明公开了一种考虑密封耦合作用的涡轮泵流体激振预测方法，该方法的主要步骤包括：1、利用CFD方法计算涡轮泵三维非定常流场，提取作用在泵端叶轮上的液动力以及作用在涡轮端上的气动力；2、建立径向小间隙密封的非线性模型；3、基于矩阵转换运算法将该径向小间隙密封的非线性模型耦合进转子运动方程，获得密封‑转子耦合系统动力学模型；4、建立考虑密封耦合作用的瞬态求解方法；5、加载叶轮液动力及涡轮气动力并施加转子不平衡量进行瞬态动力学计算，获得转子各节点振动情况；对计算结果进行处理，获得流体激励下转子系统振动特性。本方法适用于涡轮泵刚性转子流体激振的预测，有助于涡轮泵的设计优化，节省试验成本和时间。

技术领域

本发明属于叶轮机械技术领域，具体涉及一种考虑密封耦合作用的涡轮泵流体激振预测方法。

背景技术

液氧煤油补燃循环发动机是我国新一代运载火箭的主动力，其技术将应用于后续多种新型火箭及武器装备，是未来实施载人登月、深空探测等重大科技工程的关键。相比传统的燃气发生器循环发动机，补燃循环发动机性能更高，但其涡轮泵结构复杂性以及工作环境的极端性大幅提升。高压、高转速以及大功率要求使得涡轮泵内流体激振现象突出，严重影响着发动机的运行可靠性。

涡轮泵运行过程中，转子在泵端非定常液动力以及涡轮端非定常气动力的作用下会产生剧烈振动。当振动过大时，会引起转子故障甚至导致涡轮泵发生爆炸，因此对流体激励下涡轮泵转子振动的准确预测是发展高可靠性大推力火箭发动机的关键。

目前，在离心泵等叶轮机械流体激励转子振动的研究中，均未考虑密封耦合作用的影响，这是由于其研究对象为低压低转速工作条件，密封刚度阻尼效应不明显。然而对于大推力补燃循环火箭发动机涡轮泵，高压差高转速的工作条件使得密封引入的刚度阻尼效应非常显著，并且效应会随着转子振动发生变化，产生强耦合作用，此时不考虑密封耦合作用将会产生不可接受的误差甚至导致错误结果的产生。

发明内容

为了解决目前大功率高压火箭发动机涡轮泵在高压差高转速的工作条件时密封引入的刚度阻尼效应非常显著，并且刚度阻尼效应会随着转子振动发生变化，产生强耦合作用，从而会产生较大误差的问题，本发明提供了一种考虑密封耦合作用的涡轮泵流体激振预测方法。

本发明的实现原理是：

根据实际工作条件，利用CFD方法计算涡轮泵三维非定常流场，提取作用在泵端(即诱导轮和离心轮)叶轮上的液动力以及作用在涡轮端(即涡轮)上的气动力；

建立径向小间隙密封的非线性模型；

基于矩阵转换运算法将该径向小间隙密封的非线性模型耦合进转子运动方程，获得密封-转子耦合系统动力学模型；

建立考虑密封耦合作用的瞬态求解方法；

加载叶轮液动力及涡轮气动力并施加转子不平衡量进行瞬态动力学计算，获得转子各节点振动情况；对计算结果进行处理，获得流体激励下转子系统振动特性。

本发明的具体技术方案是：

提供了一种考虑密封耦合作用的涡轮泵流体激振预测方法，包含以下步骤：

步骤1：涡轮泵非定常流场数值计算

利用计算流体力学软件对获得不同时刻涡轮泵内部诱导轮、离心轮以及涡轮上的压力分布，并通过压力积分提取作用在诱导轮与离心轮上的各向液动力时域信号以及作用在涡轮上的各向气动力时域信号；

步骤2：建立径向小间隙密封的非线性模型；

该模型的表达式为：