[发明专利]一种面向可重复使用火箭涡轮泵的液磁复合轴承

说明书

本发明提供了一种面向可重复使用火箭涡轮泵的液磁复合轴承结构，其中的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；本发明是通过动压液膜力与超导磁力对涡轮泵轴系进行协同承载，依靠超导磁力实现低速悬浮和高速减载，依靠动压液膜力形成高速主承载力场，解决了普通液膜轴承启停阶段摩擦磨损严重的问题，对发展下一代可重复使用火箭涡轮泵的长寿命高可靠轴系支撑技术有价值。

技术领域

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Space X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。

发明内容

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。