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径流式涡轮在膨胀循环发动机氢涡轮泵中的应用

文档作者：杨凡叶小明文档来源： 1冲国运载火箭技术研究院 2．北京航天动力研究所		点击数：	更新时间： 2026年01月23日
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第38卷第3期
2012年6月
火箭推进
JOURNAL OF ROCKET PROPULSION
Vo1．38，No．3
Jun．2012
径流式涡轮在膨胀循环发动机
氢涡轮泵中的应用
杨凡 ，叶小明
(1冲国运载火箭技术研究院，北京，100076；2．北京航天动力研究所，北京，100076)
摘 要：为满足膨胀循环液体火箭发动机高性能和高可靠的研制要求，在氢涡轮泵方案
的选择上采用了径流式氢涡轮方案。通过一维热力和三维结构设计，初步验证了径流式氢涡
轮应用可行性。借助于CFD分析软件，完成了该涡轮设计工况全三维粘性数值模拟，证明性
能满足指标要求。通过强度优化设计和轴向力平衡两方面研究，突破了涡轮泵应用的两大技
术难点。结合该涡轮介质试验及发动机热试车考核情况，得出径流式涡轮能够应用于膨胀循
环发动机氢涡轮泵的结论。
关键词：膨胀循环；径流式涡轮；数值仿真；强度优化；轴向力平衡；热试车
中图分类号：V434—34 文献标识码：A 文章编号：1672—9374(2012)03-0040-06
Application of radial turbine in hydrogen turbopump of
expander cycle rocket engine
YANG Fan ，YE Xiao—ming：
(1．China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 1 00076，China；
2．Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 1 00076，China)
Abglraet：In order to meet the high—performance and high reliability requirements in development
of the expander cycle liquid rocket engine，the radial turbine was adopted in the scheme selection of
hydrogen turbopumps．The feasibility was preliminarily verified through 1D thermal design and 3D
structure design ．With CFD analysis software，the full 3D viscosity numerical simulation was com—
pleted under turbo’S design working conditions，proving that the perform an ce could meet the qualifi—
cation requirement．Two main techn ical problems in turbopump applications were solved through
s~ength optimum design an d axia1 force balance research．In combination with the results obtained in
medium test and hot test，a conclusion that the radial turbine can be applied to the hydrogen turbop—
ump of expan der cycle engine was achieved．
~ ords：expander cycle；radial turbine；numerical simulation；strength optimization；axial
force balance；hot test
收稿日期：2011-11-14；修回日期：2012—02—06
基金项目：国家“863”项目(2009AA70205l2)
作者简介：杨凡(1981一)，男，工程师，研究领域为液体火箭发动机涡轮泵设计及型号质量管理
万方数据
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第38卷第3期 杨凡，等：径流式涡轮在膨胀循环发动机氢涡轮泵中的应用 45
成喷嘴后压力pt变化O．1 MPa左右，这会产生附
加的轴向力。通过轴向力对喷嘴出口压力波动的
敏感度分析，可以做到对轴向力的变化范围心中
有数，从而避免轴承由于承受过大轴向力而失
效，首次试车时更要注意这种情况。轴向力对喷
嘴出口压力的导数为
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—
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．
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(6)
在目前结构参数下，AF=9 573．5△p ，N。△p 取
O．1 MPa时，产生957．35 N的轴向力，但是如果
轴承按承受1 961．33 N轴向力要求，就可以使涡
轮泵在较安全的工作环境下工作。
3 试车情况
径流涡轮参加了4次涡轮泵介质试验以及3
次全系统热试车，累计时间100 s。全系统试车
中，氢涡轮泵启动关机迅速、主级段运转平稳且
各参数协调一致。氢涡轮泵转速63 000 rpm，涡
轮效率0．74，总轴向力约为392．266 N。试车后
分解检查，氢涡轮盘及轴承结构完好无异常。通
过试车验证，径流式涡轮无论是性能、结构强度
还是协调性都能够满足发动机使用要求。
4 结论
通过对在膨胀循环发动机中采用径流式氢涡
轮泵方案可行性的深入研究得到以下结论：
1)膨胀循环氢氧发动机的氢涡轮具有高转
速和高效率的特点，通过设计及全三维数值仿真
结果看到，径流式涡轮在性能上能够满足发动机
使用要求。
2)当径流式涡轮与轴采用花键配合时，在
高转速下Von Mises等效大值发生在位于键槽背
向叶片方向一端的齿根处，但通过调整叶轮背部
的型线可以明显地改善轮盘的应力分布以及叶片
的变形大小，从而有效提高涡轮盘的安全系数。
3)由于高转速下轴承承受轴向力的限制，
膨胀循环发动机中径流式涡轮在实际应用时必须
考虑到轴向力的有效平衡。研究表明，改变涡轮
端密封直径的大小可以有效地解决这一问题。
4)根据发动机热试车及分解检查情况，径
流式涡轮性能、结构和协调性都能够满足膨胀循
环氢氧发动机应用要求。
参考文献
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(编辑：陈红霞)

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