2022 Fiscal Year Final Research Report

Development of Semi-Analytical Fluid Vibration Coupled Analysis Technique for Rocket Turbopump Rotor Dynamics

Research Project

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Project/Area Number	19H02095
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	Inoue Tsuyoshi 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70273258)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	安達和彦中部大学, 工学部, 教授 (30243322) 川崎聡国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究領域主幹 (30839105) 神谷恵輔愛知工業大学, 工学部, 教授 (50242821) 堀口祐憲大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (60314837) 高木賢太郎豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60392007) 内海政春室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (60727634) 藪井将太東京都市大学, 理工学部, 准教授 (90800756)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	振動解析 / 流体振動連成解析 / ロータダイナミック流体力
Outline of Final Research Achievements	In this project, the following were conducted. (1) To develop a theory for coupled analysis of essential fluid vibration of a rocket turbo-pump, we focused on a parallel annular seal and a tapered seal, obtained the pre-swirl coefficient and inlet/outlet loss coefficient based on CFD, and developed a coupled analysis method that takes these into account. (2) To develop a theory for coupled analysis of essential fluid vibration of the axial vibration of a rocket turbo-pump, coupled analysis of elastic deformation of the structure of the balance piston and fluid was conducted. (3) A rotor dynamics test apparatus was developed to investigate RD fluid forces. An adaptive control system was implemented to achieve orbit-following control of various orbits and estimation of RD fluid force using a piezoelectric actuator during rotation at 2000 rpm while fluid flowed at 0.2 MPa in the apparatus.
Free Research Field	機械力学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本課題では，ロケットターボポンプの安全な運転を目指し，ポンプの流体力と軸振動をできるだけ解析的に表せる部分を解析的に考慮しつつ双方向で連成させて，時間領域でできるだけ低計算コストで解析するためのモデリングと解析手法を検討した．これらは平行環状シールとテーパシール，インデューサ，バランスピストンについて達成した．これらの成果は，将来的にはロケットターボポンプ全構造について流体力をフルで同時に考慮して軸振動を予測できる技術開発に繋がっていく．また，並行して，流体力を調べるロータダイナミクス試験装置を開発し，様々な振れまわり軌道を描く制御系の構築と，その際の流体力の推定，そしてモデル化も達成した．