静子叶片数目及非谐设计对涡轮内压力脉动特性影响研究

【作者】 徐东强； 李龙； 陈浮； 岳文龙； 俞建阳；

【机构】 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院； 北京航天动力研究所；

【摘要】 液体火箭发动机是当今世界各国深空探测器最为成熟的推进系统之一,涡轮泵中涡轮部分作为液体火箭发动机中推进剂输送系统的动力部件,在高速旋转的同时承受高温热环境和极其复杂的力学环境,是发动机故障多发部件。本文以某大推力液体火箭发动机的液氧涡轮泵中的涡轮部分为研究对象,采用商业计算软件ANSYS CFX,基于非定常雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程和标准k-ε两方程湍流模型,对该涡轮内部流场进行全三维非定常仿真计算。通过傅里叶变换方法,将流场脉动的时域特性转换为频域特性,分析其流动中存在的非定常脉动特性。探究前排静子叶片数目变化及其不对称非谐设计对涡轮内部流场非定常压力脉动及部件受力幅频特性的影响,特别是后排转子叶片所受前排静叶尾流激振的脉动特性。研究表明:涡轮内动静干涉产生的叶频是压力脉动的主要组成频率,其次湍流及旋涡等还会引起其他频率的脉动成分,但相比而言幅值较小。静叶数目变化会导致新倍频脉动成分的产生,且新倍频的产生与各级叶片数目的组合密切相关。不对称静子非谐设计下,转子叶片上脉动压力及受到的激振力由静子均布情况下的单频率高幅值转化为多频率低幅值,有效降低作用在转子上激振力,进而提高转子的疲劳寿命。本研究为减小涡轮内压力脉动和机体振动提供可行思路,对涡轮内减振降噪具有指导意义。更多还原