Investigation of Non-linear Reactions in Rotors’ Bearing Supports of Turbo-pump Units for Liquid Rocket Engines

Abstract

This paper is aimed at refinement of the computational model of the turbopump rotor systems associated taking into consideration the effect of rotation of moving parts and compliance of bearing supports elements. The up-to-date approach for investigation of non-linear reactions in rotor’s bearing supports is proposed for turbo-pump units for liquid rocket engines. Five models for modelling contact interaction are investigated, and comparative bearing stiffness characteristics are given. The geometry of the housing and corresponding design scheme are set for each support due to the assembly drawing of the turbopump unit. Rotation of the shaft is taking into account by applying corresponding inertial forces to the inner cage of the bearing. Experimental points of the dependence “load – displacement” as the diagram “F – v” are built by the calculated points as an array of numerical simulation data, obtained by the ANSYS software. As a result of numerical simulation, including loading of the bearing support on the scheme “remote force” in a wide range of rotor speeds, the corresponding displacements are determined. The brandnew approach for evaluation of bearing stiffness coefficients is proposed based on the linear regression procedure. As a result, the obtained values of coefficients are summarized and approximated by the quadratic polynomials.

Стаття присвячена уточненню числової моделі дослідження роторних систем турбонасосних агрегатів рідинних ракетних двигунів, що базується на урахуванні обертання валопроводу та податливості елементів підшипникових опор. Запропоновано сучасний підхід до дослідження нелінійних реакцій у підшипниках опорах роторів турбонасосних агрегатів рідинних ракетних двигунів. Досліджено п'ять моделей контактної взаємодії та представлено відповідні порівняльні характеристики жорсткостей підшипникових опор. Врахована геометрія корпуса та складена відповідна конструкційна схема для кожної опори, що базується на складальному кресленні турбонасосного агрегату. Урахування обертання вала здійснено шляхом прикладання сил інерції до внутрішньої обойми підшипника. Побудовано експериментальні точки залежності "навантаження-переміщення" як діаграми "F - v" за допомогою розрахованих даних як масиву результатів моделювання, отриманих із застосуванням програмного комплексу ANSYS. У результаті чисельного моделювання, у тому числі навантаження опорного підшипника за схемою "віддалена сила" в широкому діапазоні частот обертання ротора, визначені відповідні радіальні переміщення. Запропоновано новий підхід до оцінки коефіцієнтів жорсткості підшипників на основі процедури лінійної регресії. У результаті отримані значення коефіцієнтів, що апроксимуються поліномами другої степені.