小型液氧电动离心泵设计、制造和测试
AsyncMaster2022/07/02喷气推进 IP:美国

在之前的挤压式液氧乙醇发动机试车成功后,逐渐将精力集中到泵压式发动机上,决定先从难度较高的液氧泵开始做起。

泵的蜗壳采用铝合金3D打印,叶轮和诱导轮采用不锈钢3D打印,在CFTurbo中设计后导入到CFD中验算。叶轮径向力平衡采用背叶片+角接触轴承。叶轮前密封采用一级PTFE wear ring。动密封系统采用两级石墨浮环密封配合氮气吹除。电机采用4092航模电机加装编码器,使用阿卡林伺服EVO闭环驱动。

叶轮外径为55mm,打印并精加工后直接使用电机驱动的模拟通道+加速计实现动平衡。

泵设计点:

流量:0.8kg/s(液氧)

入口压强:5 Bar

出口压强:25 Bar

设计转速:28000RPM

叶轮:轴流诱导轮+闭式径流叶轮

诱导轮/叶轮动力分配:8%/92%

电机驱动:阿卡林伺服EVO

设计点实测水力效率:55%

泵的控制方式为出口压强闭环驱动,电机驱动器直接采样泵出口压强完成闭环,方便后期实现混合比闭环/喷注器压强闭环等控制方式。

基本机械结构

Screen Shot 2022-07-02 at 3.06.08 AM.jpg

CFTurbo 中设计的叶轮

1641654365953_.pic_hd.jpg

CFD验算,主要考虑的是叶轮背压和汽蚀情况,验算后CFTurbo中反复修改迭代。

cfd.jpg

加工后的叶轮/主轴总成

1961656755861_.pic.jpg

叶轮、诱导轮、前密封环

1931656755840_.pic.jpg

部分加工完成的零件

1901656755412_.pic.jpg

总装完成的液氧泵。入口采用Tri-clamp系统,出口采用AN37连接器,集成出口压强检测接口。

1951656755842_.pic.jpg

水流测试

Screen Shot 2022-07-02 at 3.07.29 AM.jpg

超速,就图一乐。。

1751655483275_.pic copy.jpg

液氧测试

1981656756586_.pic.jpg

1971656756585_.pic.jpg

闭环测试,目标压强 = 30Bar

Screen Shot 2022-07-02 at 3.14.07 AM.png

实测泵参数曲线

Screen Shot 2022-07-02 at 3.00.57 AM.png


[修改于 2年3个月前 - 2022/08/17 20:53:00]

来自:航空航天 / 喷气推进动手实践:实验报导
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~~空空如也
虎哥
2年5个月前 IP:四川
905315

厉害了,老兄在哪个国家啊,怎么这么多英制的表。

想问一下低温下尺寸收缩变化,对性能的影响是否需要考虑,如何补偿。

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AsyncMaster作者
2年5个月前 IP:美国
905317
引用虎哥发表于1楼的内容
厉害了,老兄在哪个国家啊,怎么这么多英制的表。想问一下低温下尺寸收缩变化,对性能的影响是否需要考虑,...

虎哥好~~我在美国

主要考虑了轴承低温下恶劣工况的问题,对轴承种类和clearance有一定要求,主要是保持架与滚珠之间的间隙需要加大。参考NASA的公开文档NASA/TP—2019–220549: Design Guide for Bearings Used in Cryogenic Turbopumps and Test Rigs

密封部分,由于采用了石墨浮环所以对低温并不敏感

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lyhhjahj
2年5个月前 IP:江西
905318

还是3D打印好,我做蜗壳渐变器的时候用冷蜡块和石膏铸造了不下十次也没成

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RodTech
2年5个月前 修改于 2年5个月前 IP:英国
905320


好厉害 不得了😂

Angular contact用的是PEEK retainer吗,phenolic的估计要碎了,楼主是自己改的retainer吗。请问preload怎么选择呢?


我想自己换peek环,环都做了,结果发现不能无损的把inner race压出来,珠子会被搞坏。。

4D501CFF-4532-4055-B586-13F89E5828D7.jpeg



另外请问ansys自动优化这么个尺度的涡轮需要大约多少核时呢,正在考虑设计高流量气氦泵。。要是麻烦就买一个axial flow的商品泵算了。


没有查到伺服驱动英文是什么,odrive似乎功率不够大,这种用途需要FOC吗?正在折腾vesc编码器闭环。。。

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AsyncMaster作者
2年5个月前 修改于 2年5个月前 IP:美国
905321
引用RodTech发表于4楼的内容
好厉害 不得了😂Angular contact用的是PEEK retainer吗,phenolic...

是PEEK保持架,用的是ZrO2轴承,原配PTFE保持架,用刀切开取出原来的保持架,加工成半开式的PEEK保持架再压回去,就算这样效果也不是很好,高速的时候保持架容易过热熔化

preload我也很头疼,现在是用deep groove+弹簧做preload,启动之后叶轮的径向力提供,有几次启动之后轴承马上报废,估计是启动瞬态的时候preload不足造成的:

1991656794954_.pic.jpg

其实这个尺寸的泵加上背叶轮平衡径向力,我测试了几个SKF的440C deep groove轴承也是可以的,最大的问题是深冷环境下不能有任何润滑,这点上陶瓷轴承比440C好很多,目前在设计点上运行30S没有看到严重磨损

ansys自动优化没有试过,我用了台服务器手动整了几天设计出来的。。

阿卡林伺服就是开源的akarin servo,是全闭环svpwm/foc的,之前在hackaday上有发过,这次用的是专门给泵做的升级版,还没开源。vesc在我这泵上通电2秒就炸了。。

关于闭环foc,虽然不是必须,但是都2022年了。。没什么理由不用😅,而且液氧泵需要预冷,虽然有氮气吹除,但因为密封结构比较复杂,还是有机会冻住。这时候闭环启动的大扭矩就很有优势了。


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RodTech
2年5个月前 IP:英国
905322
引用AsyncMaster发表于5楼的内容
是PEEK保持架,用的是ZrO2轴承,原配PTFE保持架,用刀切开取出原来的保持架,加工成半开式的P...

过热融化 应该是ball cage的问题了,一般spindle bearing的5% grease fill,什么kluber nbu15之类,能大幅降低ball cage发热,但是深冷环境估计要特别的油能够保持低粘度,转速那么高不加油的话。。。可能还是要整一点矿物粉末润滑什么的


弹簧preload容易震荡起来啊,如果精密匹配好内外spacer桶的高度,然后设计到深冷和常温时都light preload,应该能够解决,跟机床主轴设计类似。不然启动没有preload震荡起来瞬间轴承就凉了。。。


vesc调启动foc平稳太难搞了,我折腾用来驱动torque motor代替谐波,准备放弃了。。odrive也不行,试一试这个akarin,要实在不行只能买商品驱动了。


径向力可以考虑用id是taper bore的cylindrical roller bearing (不是taper roller),用一个backing nut胀大inner race调节间隙,实现比如0到-2um preload,非常的耐操,也适合高速运转,线接触比点接触要容忍没有润滑一些。然后尾部稍暖的地方再用两个angular contact互相抵住固定轴向。

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AsyncMaster作者
2年5个月前 修改于 2年5个月前 IP:美国
905324
引用RodTech发表于6楼的内容
过热融化 应该是ball cage的问题了,一般spindle bearing的5% grease ...

是的,就是cage熔化,严重的时候整个轴承会被peek碎屑填满,考虑从泵入口取一点液氧出来冲刷冷却轴承,类似barber-nichols的fastrac涡轮泵设计,液氧侧的轴承就是lox冲刷冷却的,和背压平衡室共用

目前我找不到任何适合液氧环境的润滑脂,要不就是粘度太高,要么就是不oxygen compatible。。

Screen Shot 2022-07-02 at 5.40.38 PM.png Screen Shot 2022-07-02 at 5.40.32 PM.png

测试的时候好几次启动的时候轴承自毁,应该就是震荡造成的,只在入口压强不足造成汽蚀的情况下有出现,推测是汽蚀情况下轴向力不足导致的

cylindrical roller bearing是个好主意,不过用在这种小型泵上可能尺寸有点大,后期考虑换上燃气发生器驱动以后用类似fastrac涡轮泵的设计,整个泵只需要两个angular contact

下面是燃气发生器试车的曲线,单位是bar,发生器和环形喷管都是3D打印,涡轮也加工好了,估计不久就可以试一下涡轮驱动

4641656130416_.pic_hd.jpg

话说那个akarin servo就是我设计的。。其实比odrive早,不过实在没有精力像odrive那样运营。。


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RodTech
2年5个月前 修改于 2年5个月前 IP:英国
905328
引用AsyncMaster发表于7楼的内容
是的,就是cage熔化,严重的时候整个轴承会被peek碎屑填满,考虑从泵入口取一点液氧出来冲刷冷却轴...


说起氧化环境compatible,一种叫fomblin的特种真空泵油纸面上似乎值得试试,那个东西-100C时粘度也不大,做液氢薄膜喷雾器的时候用过,不过用的地方有加热带,应该没多冷。


半开放压进去不用取下inner race倒是个好主意,学习了,马上设计一个安排加工,压inner race出来压坏球的问题,已经陆续折腾了我半年了,连DIY fracture splitting都试过了,居然没想到这么好的办法,就是不知道有没有什么副作用,不过我用在真空里面,转速低于1rpm,任何副作用与我无关😂


😂这么说github里面那个暴力插补的雕刻机也是你的啦,有没有做个ball bar测试,看看tuning怎么样,园不园😂


这个星期折腾cylindrical roller bearig, 想逼近刮铲plain bearing和气浮主轴的性能,手工lapping匹配了一下滚子,并把outter race也hand lap到了10 millionth roundness, 这东西比角接触轴承要好伺候多了,可以土法进一步提高轴承性能,震动起来因为是线接触的,不容易瞬间自毁

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warmonkey
2年5个月前 修改于 2年5个月前 IP:广东
905337
引用AsyncMaster发表于7楼的内容
是的,就是cage熔化,严重的时候整个轴承会被peek碎屑填满,考虑从泵入口取一点液氧出来冲刷冷却轴...

有幸见过原型机,blackfin用得出神入化,令人印象深刻。

我也找了一大圈没找到适合于77K的有机润滑材料,无机可能只有石墨粉、滑石粉能用了,在这里应该还不如介质自润滑。

LNG潜液泵轴承是钢圈陶瓷球,氟塑料保持架,LNG自润滑。一般来说转速高了可以用低粘度润滑介质。

搞个专门的轴承测试机台试试看?

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RodTech
2年5个月前 IP:英国
905344
引用warmonkey发表于9楼的内容
有幸见过原型机,blackfin用得出神入化,令人印象深刻。我也找了一大圈没找到适合于77K的有机润...

高真空的润滑膏 krytox或者抗氧化的fomblin氟化旋片泵油应该值得试一试,两者都耐低温,就是到了cryo启动瞬间粘度可能不适合楼主的28krpm了,热起来了应该没有问题。


再不然就是两个对顶的taper hydrostatic plain bearing,用液氧bypass保持静压启动😂

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琉璃冬
2年5个月前 IP:俄罗斯
905351

话说楼主我有个问题,为什么不把两泵都作为悬臂泵呢?

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AsyncMaster作者
2年4个月前 修改于 2年4个月前 IP:美国
905411

今天做了液氧喷注器压强的闭环实验,数据很漂亮 sticker

Screen Shot 2022-07-06 at 1.40.07 AM.png

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自制的液氧气动poppet主阀也完美工作

Screen Shot 2022-07-06 at 1.46.55 AM.jpg






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AsyncMaster作者
2年4个月前 修改于 2年4个月前 IP:美国
905412
引用RodTech发表于8楼的内容
说起氧化环境compatible,一种叫fomblin的特种真空泵油纸面上似乎值得试试,那个东西-1...

厉害,你这比泵的需求精密多了,其实用在泵上的这种轴承只要不自毁,TIR什么的跟主轴比起来要求简直太低啦,不过一自毁如果发生高速下的metal to metal摩擦的话,后果很严重

这几天测试下来普通的ZrO2+改装cage已经基本够用,运行累计时间30s+没有出现自毁,看来这个尺寸的泵连冷却冲刷都不需要

下一步就是涡轮驱动了 sticker

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琉璃冬
2年4个月前 IP:俄罗斯
905483
引用AsyncMaster发表于7楼的内容
是的,就是cage熔化,严重的时候整个轴承会被peek碎屑填满,考虑从泵入口取一点液氧出来冲刷冷却轴...

话说液氧用润滑脂的话看看那几款全氟的润滑脂呢,不清楚低温下能不能使用

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AsyncMaster作者
2年4个月前 IP:美国
905484
引用琉璃冬发表于14楼的内容
话说液氧用润滑脂的话看看那几款全氟的润滑脂呢,不清楚低温下能不能使用

有fluoramics的lox-8润滑脂,阀门里有在用,不过涂上轴承上直接变成阻尼器。。

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RodTech
2年4个月前 IP:英国
905486
引用AsyncMaster发表于13楼的内容
厉害,你这比泵的需求精密多了,其实用在泵上的这种轴承只要不自毁,TIR什么的跟主轴比起来要求简直太低...

最近天天折腾轴承,什么都比不过气浮主轴的1micro inch TIR😂


这涡轮hub部分也是打印的吗,然后外面车铣一下?看起来扇叶十分厚实,转动惯量惊人

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AsyncMaster作者
2年4个月前 IP:美国
905487
引用RodTech发表于16楼的内容
最近天天折腾轴承,什么都比不过气浮主轴的1micro inch TIR😂这涡轮hub部分也是打印的...

涡轮是在五轴上整块铣出来的,这种冲击式涡轮都很厚实

话说air bearing用石墨自己山寨能成不?

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RodTech
2年4个月前 IP:英国
905495
引用AsyncMaster发表于17楼的内容
涡轮是在五轴上整块铣出来的,这种冲击式涡轮都很厚实话说air bearing用石墨自己山寨能成不?

能拿来用而不是转着玩的话,完全不能DIY, 有点刚度和性能的都需要极其奇葩的tolarence, 首先就要有一台air bearing的single point diamond lathe才能达到。。。这就发生了先有鸡还是先有蛋的问题了。


XXXXXXXXXXXXXXXX/uTRyd2CiKvA


参考这个channel。


不过幸运的是二手比较便宜 500usd以内常见。professional instrument牌的产量大

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琉璃冬
2年4个月前 IP:俄罗斯
905509
引用AsyncMaster发表于15楼的内容
有fluoramics的lox-8润滑脂,阀门里有在用,不过涂上轴承上直接变成阻尼器。。

我记得国内长城7804就可以用在轴承上面,然后这玩意儿好像跟Fomblin的哪款很相似

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RodTech
2年4个月前 IP:英国
905523
引用琉璃冬发表于19楼的内容
我记得国内长城7804就可以用在轴承上面,然后这玩意儿好像跟Fomblin的哪款很相似

楼主在美国上哪找长城润滑脂。。。。看了一下这个粘度太高了,用在30krpm的轴承上应该一会就烧掉了。fomblin泵油是很稀薄的。

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AsyncMaster作者
2年4个月前 修改于 2年4个月前 IP:美国
905533

跑题:今天的燃气发生器涡轮驱动大成功,燃气发生器 O/F 0.3,室压 18bar,液氧泵水试,1kN工况

Screen Shot 2022-07-10 at 5.07.04 AM.jpg

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肖特基的救赎
2年4个月前 IP:内蒙古
905662

居然是阿卡林的作者,膜拜啊

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AsyncMaster作者
2年3个月前 IP:美国
906561

今天用以前做的再生冷却液氧/乙醇发动机做了液氧泵的低功率热试车(液氧流量 0.2kg/s,喷注器压强闭环控制:点火13bar,保持,然后600ms内线性插值到18bar,再保持;室压 13bar,推力 800N),点火前泵预冷到 -140°C 左右。表现很好,详细数据分析中

azusa_pump_hotfire.mp4 点击下载

Screen Shot 2022-08-05 at 9.08.04 AM.png

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虎哥
2年3个月前 修改于 2年3个月前 IP:四川
906563

储箱压强好高

1.png

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AsyncMaster作者
2年3个月前 IP:美国
906564
引用虎哥发表于24楼的内容
储箱压强好高

这次燃料是挤压,所以燃料贮箱压力高,液氧泵入口控制在 7bar左右,平时测试可以 4bar,这是第一次点火所以留了点余量

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AsyncMaster作者
2年3个月前 修改于 2年3个月前 IP:美国
907063

更新一个燃气发生器液氮试车

gg_ln2_test1.mp4 点击下载

最后的配置,燃气发生器循环,液氧泵+酒精泵+单级冲击涡轮,燃气发生器和环喷管都是Inconel合金打印

tpa-full-assy.jpg


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Zhang_TTL
2年2个月前 IP:山东
908738

愿楼主安息[蜡烛][蜡烛]

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