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涡轮泵流体静压轴承性能计算与试验研究

杜家磊 闫攀运 梁国柱

杜家磊, 闫攀运, 梁国柱等 . 涡轮泵流体静压轴承性能计算与试验研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(2): 322-332. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0092
引用本文: 杜家磊, 闫攀运, 梁国柱等 . 涡轮泵流体静压轴承性能计算与试验研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(2): 322-332. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0092
DU Jialei, YAN Panyun, LIANG Guozhuet al. Performance calculation and experimental study on a hydrostatic journal bearing for turbopumps[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(2): 322-332. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0092(in Chinese)
Citation: DU Jialei, YAN Panyun, LIANG Guozhuet al. Performance calculation and experimental study on a hydrostatic journal bearing for turbopumps[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(2): 322-332. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0092(in Chinese)

涡轮泵流体静压轴承性能计算与试验研究

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0092
详细信息
    作者简介:

    杜家磊  男, 博士研究生。主要研究方向:液体火箭发动机涡轮泵

    梁国柱  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:固体及液体火箭发动机设计、试验和仿真

    通讯作者:

    梁国柱, E-mail:lgz@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V434;TH117

Performance calculation and experimental study on a hydrostatic journal bearing for turbopumps

More Information
  • 摘要:

    针对重复使用液体火箭发动机涡轮泵,设计了试验用流体静压轴承,利用不可压层流润滑雷诺方程的线性性质,对轴承液膜压力进行数值求解,计算分析了分别采用水和液氮作为润滑介质时,轴承的承载力和流量特性与偏心率和供给压力的关系;进行了轴承的节流孔流量特性和水润滑试验。结果表明:静压轴承短孔(非典型小孔)节流器的流量系数远超出常用的小孔节流器流量系数的参考范围;在相同的工况下,数值计算得到的水润滑和液氮润滑静压轴承的质量流量相差很小;高速水润滑试验中,主轴在轴承中浮起后的位置主要由供给压力决定,在0~30 000 r/min的转速范围内轴承没有明显的动压效应;数值计算和试验结果均表明静压轴承的质量流量与偏心率基本无关。水和液氮润滑静压轴承性能数值计算和水润滑试验结果为进一步的液氮低温润滑试验奠定了基础。

     

  • 图 1  流体静压轴承及液膜流场示意图

    Figure 1.  Schematic of hydrostatic journal bearing and fluid film field

    图 2  数值计算流程图

    Figure 2.  Flowchart of numerical calculation

    图 3  轴承液膜压力分布

    Figure 3.  Pressure distribution of bearing fluid film

    图 4  水和液氮润滑轴承的承载力特性

    Figure 4.  Load capacity characteristics of bearing lubricated with water and liquid nitrogen

    图 5  水和液氮润滑轴承的流量特性

    Figure 5.  Flow characteristics of bearing lubricated with water and liquid nitrogen

    图 6  流体静压轴承试验系统示意图

    Figure 6.  Schematic of hydrostatic journal bearing test system

    图 7  节流孔流量系数拟合

    Figure 7.  Orifice flow coefficient fitting

    图 8  不同载荷下偏心率与供给压力的关系

    Figure 8.  Eccentricity ratio versus supply pressure under different load conditions

    图 9  不同载荷下质量流量与供给压力的关系

    Figure 9.  Mass flow rate versus supply pressure under different load conditions

    图 10  不同转速下的轴心轨迹

    Figure 10.  Shaft center orbits at different rotational speeds

    图 11  平均浮起量和转速随时间的变化

    Figure 11.  Averaged floating displacement and rotational speed versus time

    图 12  平均浮起量与供给压力的关系

    Figure 12.  Averaged floating displacement versus supply pressure

    图 13  平均浮起量与转速的关系

    Figure 13.  Averaged floating displacement versus rotational speed

    表  1  轴承的主要参数

    Table  1.   Main parameters of bearing

    参数 数值
    轴承内径D/mm 20
    轴承宽度B/mm 14
    平均半径间隙h0/μm 35
    节流孔直径do/mm 0.64
    凹腔数目n 4
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    表  2  润滑介质物性参数[16]

    Table  2.   Physical property parameters of lubricants [16]

    润滑介质 温度/K 密度/(kg·m-3) 黏度/(10-6Pa·s)
    293 998.2 1 005
    液氮 77 807.7 163
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    表  3  流量特性试验结果

    Table  3.   Results of flow characteristics test

    测点 第1次试验 第2次试验 第3次试验
    Δp/
    MPa
    Qm/
    (kg·s-1)
    Δp/
    MPa
    Qm/
    (kg·s-1)
    Δp/
    MPa
    Qm/
    (kg·s-1)
    1 0.99 0.049 7 0.91 0.049 0 0.95 0.050 9
    2 1.81 0.069 3 1.74 0.068 2 1.80 0.069 5
    3 2.76 0.085 4 2.76 0.085 2 2.72 0.084 9
    4 3.67 0.097 8 3.71 0.098 4 3.74 0.098 5
    5 4.59 0.108 5 4.61 0.109 3 4.59 0.109 1
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-02-22
  • 录用日期:  2017-06-23
  • 刊出日期:  2018-02-20

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