一种面向可重复使用火箭涡轮泵的液磁复合轴承的制作方法

本发明涉及液体火箭涡轮泵轴系支撑技术领域，具体涉及一种流体动压液膜力-超导磁力复合轴承结构，为实现可重复使用、长寿命、高转速等涡轮泵服役性能目标提供一种新型轴承技术。

背景技术

液体火箭是目前人类进行太空宇航活动最重要的运载工具，是我国布局卫星信息网络、构建大型空间站等必须倚重的关键技术装备。近年来，长征五号的发射及高压补燃循环氢氧发动机等技术的突破，为我国航天事业奠定了坚实的物质基础。但是与国际最先进水平相比，在运载能力和可重复使用等方面我们仍有不小的差距。2018年初，美国商业航天公司spacex发射了运载能力达长征五号两倍以上的重型猎鹰火箭，且三枚一级箭体全部成功回收，极大地震撼了我国航天行业并在全球范围内掀起了可重复使用火箭的发展热潮。火箭的运载能力反映了燃料系统的供给速度和涡轮泵转速，本质上受限于轴承这个核心基础部件。现役火箭涡轮泵均采用滚动轴承作为轴系支撑部件，通过点或线接触形式传递载荷，应力集中和摩擦磨损现象非常严重，导致轴承服役寿命与转速之间相互制约，涡轮泵性能难以得到重大提升。随着今后发射任务挑战性的不断增加，通过轴承材料改进之类的一般措施将越来越难以满足涡轮泵的发展需求。

以液膜轴承代替易磨损的滚动轴承是航天强国竞相研究的热点课题。当承载液膜生成后，轴承与轴颈之间将脱离直接接触。得益于无机械摩擦磨损，轴承的服役寿命能够大大延长。相比于滚动轴承，液膜轴承具有优秀的动力学性能，通过合理的设计能够实现更高转速的稳定运转。近年来，德州农工大学明确以美国下一代可重复使用火箭涡轮泵为对象，提出了动静压液膜轴承支撑方案，并进行了低粘润滑介质下的模拟试验验证。研究表明，液膜轴承应用方案的最大不足在于低速下涡轮泵自身建立的液体压力不足以支持承载液膜的生成，导致启停阶段依然会出现非常严重的摩擦磨损现象，不能保证全服役阶段的无机械接触。该问题能否得到有效解决关系到液膜轴承在火箭涡轮泵中的应用可行性及下一代可重复使用火箭涡轮泵的研发进程。

技术实现要素：

本发明旨在针对上述滚动轴性能局限性大、普通液膜轴承替代方案不能解决涡轮泵启停阶段的摩擦磨损等关键应用问题，提出一种面向可重复使用火箭涡轮泵的液磁复合轴承，以期能够实现火箭涡轮泵完整服役阶段内轴承与轴颈之间的无机械接触摩擦，并能提供比滚动轴承更为优越的高速动力学性能，显著延长涡轮泵轴承的服役寿命并提高涡轮泵的转速。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向可重复使用火箭涡轮泵的液磁复合轴承，所述液磁复合轴承用于支承涡轮泵轴系、工作时完全浸泡于火箭的工作介质中，并以充满于轴承内腔的工作介质为润滑介质，所述液磁复合轴承的结构设置为：

环形轴瓦体设于轴承座内圈、与涡轮泵壳体轴向联接固定，偶数个扇形瓦块沿周向以等间距间隔布设、并分别通过弹性可倾支点安装于所述轴瓦体内表面上，构成可倾瓦块，任一可倾瓦块内部均沿周向、对称嵌装一对超导块，所述涡轮泵转轴上、对应液磁复合轴承位置处套装永磁环；

所述液磁复合轴承是通过润滑介质在轴承径向间隙形成的承载液膜产生动压液膜力，及依靠永磁环与各超导块之间的超导磁力，形成对火箭涡轮泵轴系完整服役阶段内的协同承载。

本发明的结构特点也在于：

所述可倾瓦块为黄铜材质，承载面具有激光加工得到的表面微织构。

优选的，所述表面微织构的形式为多个深度5μm、直径40μm的圆坑，在可倾瓦块承载面上的面积占有率为25％。

所述弹性可倾支点的结构为：

沿轴承径向设置的销柱一端联接在轴瓦体上，另一端联接于可倾瓦块中部，所述销柱上套设o型密封圈，并与轴瓦体之间设有阻尼孔，任一可倾瓦块均能够以对应的销柱为可倾支点、绕可倾支点摆动。

所述可倾瓦块的背面与轴瓦体内表面之间为线接触。

所述永磁环的外径比对应位置处的涡轮泵转轴外径大5mm。

所述永磁环为汝铁硼永磁环，所述超导块为圆柱形钇钡铜氧超导块。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明提出的面向可重复使用火箭涡轮泵的液磁复合轴承，通过超导磁力与动压液膜力的协同作用支撑涡轮泵轴系。在启动和停机阶段，涡轮泵转子系统由超导磁力进行悬浮支撑。超导磁力因磁通钉扎特性具有自稳定悬浮特性，即转子时刻处于稳定的悬浮状态。随着转速的升高，流体动压效应逐渐增强，动压液膜力在高速下处于主承载地位，并因高刚度和大阻尼等特性保证转子系统的高速稳定性。本发明通过引入超导磁力解决了普通液膜轴承替代方案中启停阶段摩擦磨损严重的问题，能充分发挥液膜轴承优良的动力学特性并显著提高涡轮泵的转速和运载能力；

2、本发明的液磁复合轴承中轴承瓦块为可倾结构，即内嵌超导块的扇形瓦块能够绕弹性可倾支点产生小幅摆动，在任何情况下与轴颈均可以形成最佳的楔形以保证最佳的雷诺效应。可倾瓦块结构的高速稳定性好，不容易发生液膜振荡现象，对于提高火箭涡轮泵的转速有好处；

3、本发明的复合轴承瓦块表面有激光手段得到的表面微织构。扇形瓦块的材质为黄铜，是一种非磁性材料，对超导磁场分布的影响可以忽略，并有利于激光微织构的加工。每一个微小结构都可以视为一个微型的流体动压轴承，不仅可以起到增强流体动压、提高轴承承载能力的作用，还可以起到储藏磨粒与杂质的作用；

本发明通过上述等技术要点，保证了液磁复合轴承能够在不同运行阶段满足承载要求，能够实现由低速下的超导磁力承载模式过渡到高速下液膜力为主的承载模式，使液磁复合轴承能够满足高速、长寿命、重复使用等服役性能指标，对发展我国下一代可重复使用火箭涡轮泵的新型轴系支撑技术有重要价值。

附图说明

图1是本发明可重复使用火箭涡轮泵的液磁复合轴承的结构示意图；

图2是图1中扇形瓦块的局部结构示意图；

图3是液磁复合轴承的工作原理示意图。

图中，1轴承座；2轴瓦体；3轴向螺栓孔；4定位销；5扇形瓦块；6销柱；7阻尼孔；8o型密封圈；9超导块；10端盖；11螺钉；12涡轮泵转轴；13永磁环；14轴瓦体内表面；15可倾瓦块承载面；16可倾瓦块背面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1至图2，本实施例的面向可重复使用火箭涡轮泵的液磁复合轴承是一种流体动压液膜力与超导磁力协同承载的轴承结构，用于支承涡轮泵轴系、工作时完全浸泡于液体火箭的低温工作介质中，并以充满于轴承内腔的低温工作介质为润滑介质，液磁复合轴承的结构设置为：

环形轴瓦体2设于轴承座1内圈、与涡轮泵壳体轴向通过轴向螺栓(图1中仅示出轴向螺栓孔3)与定位销4联接固定，偶数个扇形瓦块5沿周向以等间距间隔布设、并分别通过弹性可倾支点安装于轴瓦体内表面14上，构成可倾瓦块，通过可倾瓦块可进一步提高液磁复合轴承的高速稳定性。任一可倾瓦块内部均沿周向、对称嵌装一对超导块9，并通过端盖10与螺钉11固定限位(如图2所示)，涡轮泵转轴12上、对应液磁复合轴承位置处套装永磁环13，为液磁复合轴承提供激发超导磁力的外磁场；

液体火箭的低温工作介质(过冷状态的液氢液氧)能够实现超导态的转变，并能为液膜力承载部分提供必不可少的润滑介质，液磁复合轴承是通过润滑介质在轴承径向间隙形成的承载液膜产生动压液膜力，及依靠永磁环13与各超导块9之间的超导磁力，形成对火箭涡轮泵轴系完整服役阶段内的协同承载。超导磁力的作用在于低速悬浮和高速减载、解决普通液膜轴承启停阶段的摩擦磨损问题，动压液膜力的作用是高速主承载力场、保证涡轮泵轴系的高速稳定性。具体来说，在速度较低的启动和停机阶段，流体承载液膜因动压效应不明显而不能生成或破裂，此时由超导磁力起到悬浮和支撑转子的作用。随着转速的升高，流体动压效应增强，承载液膜开始生成。在稳定运行阶段，主要由动压液膜力进行承载，超导磁力起到减载作用。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

可倾瓦块为黄铜材质，黄铜为非磁性材料，对超导磁场分布的影响可以忽略，以降低对磁场分布的影响。

可倾瓦块的承载面具有激光加工得到的表面微织构，表面微织构的形式为多个深度5μm、直径40μm的圆坑，在可倾瓦块承载面15上的面积占有率为25％。由于超导材料内部磁通热激活运动，被钉扎住的磁通束会按照一定的几率进行跳跃，超导磁力会随之发生衰减。在复合轴承中，由于液膜剪切热效应的参与，磁力衰减现象更为显著，超导磁力的有效承载范围会因此加速缩小。为保证由这种时变衰减的超导磁力承载磨损顺利过渡到流体液膜力为主的承载模式，通过激光加工在可倾瓦块的承载面制备一些表面微结构，增强流体动压效应，使液膜生成得以提前，保证复合轴承的安全可靠工作。

弹性可倾支点的结构为：

沿轴承径向设置的销柱6一端联接在轴瓦体2上，另一端联接于可倾瓦块中部，销柱6上套设o型密封圈8，并与轴瓦体2之间设有阻尼孔7，任一可倾瓦块均能够以对应的销柱6为可倾支点、绕可倾支点小幅摆动以形成最佳的楔形，阻尼孔7的作用是增强摆动稳定性。

作为一个优选的方案，可倾瓦块背面16的直径应设置为略小于轴瓦体内表面14的直径，以使可倾瓦块背面16与轴瓦体内表面14之间的接触形式为线接触，可保证可倾瓦块摆动灵活。

本实施例中，可倾瓦块的包角均为48°，可倾瓦块的支点位置角β为44°，以便形成承载转轴8所需要的楔形动压液膜。

本实施例中，永磁环13采用径向磁化方式，设置永磁环13的外径比对应位置处的涡轮泵转轴12外径大5mm，可以保证超导块9捕捉到的外磁场梯度较大。

其中，永磁环13为汝铁硼永磁环，超导块9为圆柱形钇钡铜氧超导块，且每一超导块9的厚度为5mm且均为单畴超导体。

请参照图3，图示自左至右的状态依次为：低速、承载液膜未生成——承载液膜开始生成——高速、承载液膜占主导，箭头a为超导磁场，箭头b为流场，均是自轴承指向轴颈。液磁复合轴承工作时完全浸泡在液体火箭的低温工作介质中，低温工作介质一方面可以使得超导块9进入超导态形成超导磁悬浮力，另一方面为承载液膜的生成提供润滑介质。其工作原理为：

在启停阶段，由于转子的转速较低，轴承与轴颈之间的小间隙不足以生成承载液膜或导致承载液膜破裂，由超导磁悬浮力承载涡轮泵转子系统；随着转速的升高，流体动压效应逐渐增强，承载液膜开始生成，但超导磁力因转速升高、液膜剪切热效应等而逐渐衰减；当达到稳定工作阶段时，液膜力在承载体系中处于主导地位，衰减后的超导磁力起到减载作用，液膜力良好的动力学性能保证涡轮泵轴系稳定、可靠地进行运转。可倾瓦块承载面1516上的微结构起到增强流体动压效应的作用，保证在超导磁力衰减到无法有效承载前实现承载液膜的生成，因此不可缺少。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。