导弹与航天运载技术
MISSILES AND SPACE VEHICLES
1999年 第5期 No.5 1999



氢氧涡轮泵用箔片轴承的试验研究
丁增杰
　　摘要　轴承问题是氢氧发动机涡轮泵研制过程中遇到的关键技术之一，往往由于轴承的故障导致试车的失败。因此，这个问题一直是有关人员十分关心和重视的。箔片轴承具有高速、长寿命、高可靠等特点，就它的性能、结构与工作原理、设计方案理论计算及试验结果进行了叙述，期望用箔片轴承取代现在在火箭发动机涡轮泵上应用的滚珠轴承。
　　主题词　金属箔，液浮轴承，涡轮泵，试验方案设计。
Experiment and Research of Foil Bearing for LH2/LOX Turbo-Pump
Ding Zengjie
(Beijing Institute of Liquid Rocket Engine ,Beijing, 100076）
　　Abstract Bearing is one of technical cruxes in development of LH2／LOX engine turbo-pump． Breakdowns of bearings may often lead to fai1ure of engine test. Therefore， the question is extremely concerned by the researchers. It is reported that boil bearing possesses many features，such as ， higher speed， longer life-span and higher reliability, etc. The paper recounts the performance, structure， work principle，theoretical computation of design schenme and experimental result of boil bearing. It is expected that foil bearing is substituted for ball bearing used in present turbopumps.
　　Key Words　Metal foil,Liquid bearing,Turbine pump，Test scheme design.
1　问题的提出
　　轴承问题是氢氧发动机涡轮泵研制过程中遇到的关键技术之一，往往由于轴承的故障导致了试车的失败。因此，这个问题一直是有关人员十分关心和重视的。
　　本专题属于世界前沿技术跟踪研究项目。美国联讯公司（Allied Signal)在这方面做了许多工作。据称，箔片轴承具有高速、长寿命、高可靠等特点，轴承的这些特点是火箭发动机涡轮泵所渴求的。基于这种情况，我们把研究的最终目标定位于用箔片轴承取代现在涡轮泵上应用的滚珠轴承。
2　箔片轴承的结构和工作原理
　　箔片轴承是一种自作用的流体动压液膜轴承。箔片轴承的结构如图1所示。其主要构件是围绕着轴斜跨、重叠、均匀地排列着的一组箔片，箔片的弯边一端与轴承座沟槽相箝，防止箔片沿周向滑动。这些箔片具有特定的曲率半径和厚度，当轴不转动时，箔片与轴保持接触；当轴工作时，轴和箔片之间形成楔形液膜使箔片与轴分离。为了解决转轴在启动、关机的过程中的摩擦、磨损问题，在箔片与轴接触的工作面上涂（镀）有自润滑层。资料介绍，这种自润滑层在实验室用空气进行了100 000次启动、关机试验，效果良好。

图1　箔片轴承的结构
　　相对液膜来说，箔片刚度较低。为了调节位移偏差或温度变形，箔片可以挠曲。这一特性非常适用于低温运行。在这一方面，箔片轴承较其他刚性几何结构的液膜轴承优越得多。此外，低刚度的箔片与较之箔片轴承有更大刚性的轴相配合，能使得轴系在第1、第2临界转速下转子振型呈刚体型，与转子设计转速相比，一、二阶临界转速是非常低的，但第3阶临界转速却比设计转速高得多。典型的转子临界转速和动态响应特性曲线见图2。由图可见，在第1、第2临界转速与第3临界转速之间提供了一个很大的无临界转速的运行范围。

图2　转子动态响应与机构转速比较
　　在箔片轴承中，挤压液膜形成了很好的阻尼，该阻尼和重叠箔片相互接触处以及轴承座支承处形成的库仑摩擦是相同的。实验测得的箔片轴承阻尼特性见图3。由图可见，箔片轴承的阻尼比流体静压轴承的阻尼要大。

图3　箔片轴承的阻尼特性
　　由于箔片特有的良好的柔韧性和阻尼特性，箔片轴承具有良好的抗振性能。资料介绍，采用箔片轴承的机械己成功地承受了100 g的振动载荷。
　　箔片轴承对质量不平衡力不敏感。在涡轮泵里，箔片轴承所需冷却流量一般小于泵流量的1％，这比流体静压轴承少得多。
　　箔片轴承作为轴承的一个新品种，具有许多优点：
　　a) 机械设计简单，生产费用低；
　　b) 在工作范围内没有临界转速的困扰；
　　c) 没有速度限制；
　　d) 在高速下工作稳定；
　　e) 衰减率高，轴位移小；
　　f) 无液流损失（与液体静压轴承的液流损失相比）；
　　g) 对温度变化和质量不平衡不敏感；
　　h) 对不同心度、加工偏差和圆周方向的接触间隙敏感度小；
　　j) 寿命循环费用低，维护和检修费用低；
　　k) 工作可靠性高。
3　箔片轴承方案论证计算
　　为了给箔片轴承的设计提供参数，与高校合作，建立数学模型进行了方案论证的初步计算［1］。
3．1　计算的基本假设和应用限制
　　计算的基本假设如下: 
　　a） 液膜的厚度与轴径相比忽略不计；
　　b） 冷却流体不可压缩；
　　c) 箔片涂层厚度忽略不计；
　　d) 轴和轴承座与箔片相比认为是刚性的；
　　e) 轴装入轴承以后，箔片近似保持为圆柱面的形状；
　　f) 箔片上所有接触点的力均沿箔片的法线方向。
3．2　计算结果讨论
3．2．1　启动力矩M随轴半径rj的变化
　　当轴承内孔确定，箔片厚度、曲率半径一定的情况下，算得启动力矩M随轴半径rj的关系如图4所示。由图可见，启动力矩M随轴半径rj增长而增长,同时也随箔片自由曲率半径ra的增长而增长 。

图4　启动力矩M随半径rj的变化
3．2．2　脱离转速Ns 随轴半径rj 的变化
　　脱离转速Ns 的高低不仅与轴半径rj大小有关，而且与箔片的自由曲率半径ra 有非线性的关系。由图5可以看出，当箔片的自由曲率半径ra＝26．0 mm时，脱离转速Ns 随轴半径rj增大呈升高的趋势，而当ra＞26．0 mm时，例如，ra ＝26．5 mm时，脱离转速Ns随轴半径rj增大反而呈下降的趋势。

图5　脱离转速Ns随轴半径rj的变化
3．2．3　额定转速下的平衡间隙hd随轴半径rj 的变化
　　额定转速下的平衡间隙hd随轴半径rj的变化受到箔片的自由曲率半径ra 的制约。由图6可见，当箔片的自由曲率半径ra＝27．0 mm时，额定转速下的平衡间隙hd随轴半径rj的变化呈缓慢增长的趋势；当箔片的自由曲率半径ra≤26．5 mm时，额定转速下的平衡间隙hd随轴半径rj的变化呈缓慢下降的趋势。

图6　额定转速下的hd随rj的变化
3．2．4　承载力F随最小间隙hmin的变化
　　图7表明，承载力F随最小间隙hmin的增加迅速降低。反之，当最小间隙hmin趋于最小值时，箔片轴承可以获得最大的承载能力。然而，事实并非如此。箔片轴承的承载能力取决于箔片的弹性恢复力与流体动力之间的耦合，也就是说取决于流体润滑膜的稳定性。我们知道，液氢的动力粘度μ值很小，几乎与常温下空气的动力粘度相同。因此，液氢润滑的箔片轴承的承载能力接近了气体轴承。要获得较高的承载能力，轴承必须在很大的偏心率下工作。这时液氢就不再是液体，也许是两相流，也许是气氢，也就是说润滑流体发生了“相转变”。这种相转变必然伴随有相变热的产生，使得轴承润滑受到破坏，轴承不会承受太大的载荷。

图7　承载力F随最小间隙hmin的变化
4　箔片轴承的加载试验
　　箔片轴承的试验是在经过改造的常规轴承试验台上进行的。下面就轴承试验情况作一介绍。
4．1　轴承的试验条件
　　试验介质：液氮
　　冷却流量： 80 g/s左右
　　工作转速：N＝40 000 r/min
　　预计工作时间：T＝30 min
　　测量参数：转速、轴承介质入口流量G、 入口压力p、功率、轴承座壁温及头腔内压力等。
4．2　试验情况
　　第2阶段试验共进行了6次。第1次试验于1995年8月9日进行，是空载试验。运转时间20 min。
　　试验后轴承内环表面有两道轻微的磨痕。箔片有两点轻微磨痕，这两点磨痕分别在两个箔片上。这可能是由于轴承外环和加载套的自重作用在箔片上造成的（见图8）。

图8　箔片轴承空载试验20 min后的情况
　　轴承加载试验是在1995年8月15日～11月21日进行的，共试验了5次。试验装置在空载状态下启动，待运转平稳后开始逐渐加载；待径载接近200 N时，动力系统功率上升，试验装置发出异常噪声，当即紧急停车。
　　试验后8片箔片的每一片上都有不同程度的磨痕。3个受力的箔片烧蚀严重，箔片中间部分碾展变形并有向心凸起的趋势。轴承内环的表面中间磨痕较重，两端很轻（见图9)。
　　结果分析：根据箔片磨损情况看，5次加载试验的结果大体相似。试验径向载荷加至199～211 N时即出现动力装置功率上升，并发出噪声。立即紧急停车。

图9　箔片轴承加径载200 N时的磨损情况
5　计算及试验结果讨论
　　a） 所设计的箔片轴承在低温介质中高速无载或轻载运转是可行的。在高速轻载的情况下箔片与轴面之间形成一个平衡的间隙，在其中形成润滑膜，它把箔片和轴面隔开，二者不直接发生摩擦，所以使轴承获得了较长的寿命。
　　b） 对试验件的试验结果表明，其承载能力在200 N以下。据介绍，轴的偏心率不能超过90％，把这一结论与我们的试验结果对照可以看出，试验载荷值的上限与轴偏心率达到85％～90％时计算出的轴承承载能力非常一致。这可否说明我们的试验件的承载能力上限己经得到。如果是这样，那么，提高箔片轴承的承载能力的努力是否有价值就值得商讨了。
　　c) 第4次加载试验与第5次相比有两点不同，一是轴承内环外径，前者为φ48．54，单边名义间隙是0．53 mm；后者为φ48．73，单边名义间隙是0.43 mm。二是涂层，前者为Microflon，后者为Teflon-S( 美国使用的是后一种涂层）。我们初步认为起主导作用的是轴承的径向间隙，这里可能存在着一个在加载状态下的最佳平衡间隙，这有待进一步的试验验证。
6　几点初步结论
　　a) 箔片轴承在液氮介质中无载或轻载运转试验是成功的。试验证明，箔片轴承在20 000 r／min和40 000 r／min下运转时在箔片与转轴之间已经形成动压液膜，转轴已经“浮起”，轴与箔片之间不再发生摩擦，所以能够获得轴承的长寿命，轴承在运转时噪音很小。
　　b) 箔片上涂覆的两种耐磨涂层Microflon, Teflon-S可以解决轴承在启动、关机时的摩擦磨损问题，满足了轴承多次启动、关机的要求。
　　c) 对于一般滑动轴承来说，轴承的半径间隙是一个定值。对于箔片轴承来说，半径间隙又受箔片的自由曲率半径的影响，曲率半径较大，箔片与轴面贴得较紧，要形成滑动间隙只能靠流体的动压效应。箔片压紧后计算出的半径间隙还不能与一般滑动轴承半径间隙相等同。所以，如何确定箔片轴承的半径间隙还需进一步研究。
　　d) 所设计的箔片轴承试验件在大偏心率下，即最小半径间隙为10 μm时，轴承的理论承载能力为1 000 N，然而要使最小半径间隙达到10 μm是不可能的，因为这时偏心率己达97%。通常偏心率不应超过90%，超过90% 润滑膜被破坏，轴承就会被烧坏。对应偏心率为90%时的承载能力为200 N左右，与实验值是一致的。
　　e) 箔片的厚度增加会使箔片的刚度增加，箔片的刚度是影响轴承性能的重要参数。箔片刚度太小，轴承的承载能力会大大降低。反之，箔片刚度太大，轴承抗冲击振动的本领会大大削弱，轴承的脱离转速会很高。
　　f） 箔片的厚度和曲率半径对轴承的脱离转速的影响十分敏感，箔片的厚度和曲率半径过大，会使轴承的启动力矩增大，额定转速下的摩擦功耗也将加大，轴承的脱离转速很高。当轴承达不到脱离转速时，箔片与转轴之间形不成间隙，即二者不能脱离，这时轴承很快就被摩擦热烧坏。
作者单位：(北京液体火箭发动机研究所,北京，100076)
参考文献
　1　弹性片轴径轴承方案论证.北京航空航天大学第6教研室,1994-11.
收稿日期：1998-12-17
