15 Jul
4:49

Rotor/Sistem Bantalan Mesin Roket | blog mesin turbo

Mesin roket adalah ciptaan sempurna dari pikiran manusia, menggabungkan pengetahuan kita yang ada dalam aerodinamika, termodinamika, mekanika padat dan fluida, dan dinamika rotor. Percaya atau tidak, desain mesin roket mengandung turbopump yang memindahkan bahan bakar dan oksidator ke dalam ruang bakar yang menciptakan kondisi sempurna untuk pembakaran dan gerakan roket dengan efisiensi tinggi. Kata “turbopump” berarti bahwa pompa digerakkan oleh turbin yang dipasang pada poros yang sama atau dihubungkan melalui gearbox. Tandem yang mendebarkan ini menghasilkan sekelompok efek dinamika rotor yang melekat pada pompa, turbin, rotor berkecepatan tinggi, bahan suhu kriogenik, dll. Dan semua efek ini harus diperhitungkan dengan cermat selama studi dinamika rotor.

Skema standar turbopump yang digerakkan secara internal terdiri dari rotor hidrogen cair (LH2, bahan bakar) dan oksigen cair (LO2, pengoksidasi).

Gbr. 1 – Model turbopump yang digerakkan secara internal

Meskipun model dinamika rotor biasanya lebih sederhana daripada model CAD, model ini terlihat cukup rumit dalam kasus turbopump. Rotor berisi bagian yang berongga dan bagian dengan beberapa elemen di dalam ruang berongga.

Gbr. 2 - Model dinamika rotor dari rakitan rotor turbopump
Gbr. 2 – Model dinamika rotor dari rakitan rotor turbopump

Dinamika rotor lateral dipertimbangkan untuk rotor terpisah dalam rakitan. Ini menggabungkan sejumlah besar efek yang timbul dari struktur kompleks rotor dan kondisi kriogenik dari cairan yang dipompa.

Efek ini termasuk:

  • Cross-coupling aerodinamis yang dihasilkan pada impeller turbin.
  • Gaya radial statis dalam volute pompa karena jarak bebas yang tidak merata di dalamnya.
  • Ketidakseimbangan hidrodinamik pada impeler pompa.
  • Massa tambahan dari cairan yang dipompa di sekitar poros turbopump.
  • Kekakuan aktual dan koefisien redaman bantalan elemen gelinding yang menopang rotor.
  • Kekakuan seal annular cair dan redaman mempengaruhi respon dinamika rotor lateral.

­

Beban manuver menghasilkan keadaan prategang rotor karena percepatan roket rocket

Gbr. 3 - Rotor bahan bakar turbopump dengan indikasi lokasi kopling silang bantalan, seal dan aerodinamis, distribusi suhu, dan massa tambahan
Gbr. 3 – Rotor bahan bakar turbopump dengan indikasi lokasi bearing, seal, dan cross-coupling aerodinamis, distribusi temperatur, dan massa tambahan

Fitur rotor turbopump roket yang disebutkan memberlakukan batasan ketat pada kode elemen hingga struktural yang digunakan seorang insinyur untuk memprediksi respons getaran rotor.

Kode ini harus mampu menghitung karakteristik dinamis dari komponen bantu rotor dan masalah hidrodinamik, seperti bantalan, penyangga, segel, dan kopling silang aerodinamis.

Selain itu, kode tersebut harus memberikan kemampuan pemodelan rotor yang komprehensif termasuk desain poros; elemen massa-inersia yang disatukan; bantalan dan penyangga; kopling; gaya dan percepatan yang mempengaruhi keadaan tegangan rotor dan kondisi prategangnya, dll.

Akhirnya, pengaturan solusi yang komprehensif dan kemampuan pasca-pemrosesan diperlukan untuk mendapatkan hasil yang akurat yang sesuai dengan persyaratan modern dan memungkinkan para insinyur untuk menganalisis operasi rotor yang aman sehubungan dengan status tegangan, respons getaran, stabilitas, masalah transien yang terjadi selama operasinya, dll.

Gbr. 4 - Hasil untuk getaran lateral rotor bahan bakar turbopump (dari atas ke bawah - karakteristik frekuensi amplitudo, peta stabilitas dan orbit rotor)
Gbr. 4 – Hasil untuk getaran lateral rotor bahan bakar turbopump (dari atas ke bawah – karakteristik frekuensi amplitudo, peta stabilitas dan orbit rotor)

Getaran torsional dari rakitan rotor turbopump bukan merupakan bagian yang kurang penting dari analisis dinamika rotor. Seluruh rakitan rotor yang terhubung melalui gearbox yang dimodelkan sebagai kopling fleksibel harus dianalisis untuk memeriksa kemungkinan resonansi karena sumber eksitasi berbeda yang terjadi di dalam atau di dekat rentang kecepatan operasional yang dapat diamati pada diagram Campbell.

Gbr. 5 - Bentuk mode torsi pertama dari rakitan rotor pompa turbo
Gbr. 5 – Bentuk mode torsi pertama dari rakitan rotor pompa turbo

Perbedaan kecepatan putaran rotor karena berbagai rasio roda gigi harus diperhitungkan selama perhitungan ini. Selain itu, sumber eksitasi transien harus dianalisis dengan hati-hati untuk memeriksa operasi aman rotor yang dipengaruhi oleh momen puntir tidak tetap karena masalah aerodinamika – amplitudo tegangan puncak di rotor tidak boleh melebihi batas tetapnya dan kondisi kelelahan harus dipenuhi.

Seperti yang Anda ketahui dari atas, menganalisis dinamika rotor turbopump mesin kendaraan ruang angkasa membutuhkan insinyur dan perangkat lunak untuk bekerja di teknologi mutakhir seperti yang dilakukan roket itu sendiri.

Untuk menganalisis dinamika rotor turbopump, sejumlah besar efek dan kondisi yang berbeda harus diperhitungkan. Hal ini memerlukan perhitungan komprehensif dari komponen bantu rotor, bantalan, dan berbagai jenis analisis. AxSTREAM Bearing dan RotorDynamics memberi pengguna banyak kemampuan untuk menghitung sifat dinamis segel annular cair; bantalan elemen bergulir; kopling silang aerodinamis; serta seluruh spektrum analisis dinamika rotor lateral dan torsional dengan pengamatan kriteria rotor non-resonan, operasi yang aman dan stabil sesuai dengan standar modern.

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang AxSTREAM RotorDynamics atau AxSTREAM Bearing, mintalah percobaan atau daftar untuk lokakarya dinamika rotor online kami yang akan datang!

« »