陶孟堯,段逸飛,毛 凱,王曉鋒,鄭曉沛

(1.西安航天動力研究所,陜西 西安710100; 2. 洛陽軸承研究所有限公司,河南 洛陽471039)

0 引言

液體運載火箭是人類探索宇宙最重要的工具之一,在建立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、建造空間站、載人登月、火星登陸及其他空間活動中發(fā)揮著不可或缺的作用。目前,隨著對發(fā)射頻率、運輸成本要求的不斷提高,一次性使用液體火箭已無法滿足需求,如何降低發(fā)射費用成為液體火箭面臨的主要難題之一,發(fā)展可重復(fù)使用液體火箭發(fā)動機是解決上述難題的有效途徑[1]。

液體火箭發(fā)動機具有能量釋放強烈、動態(tài)發(fā)展迅速、工作環(huán)境惡劣等特點,設(shè)計研制極為困難[2]。渦輪泵作為液體火箭發(fā)動機的核心,用于對火箭燃料和氧化劑進行加壓,它由許多旋轉(zhuǎn)部件組成,如軸承、密封、葉輪和誘導(dǎo)輪等。渦輪泵工作時,內(nèi)部處于高轉(zhuǎn)速、高低溫、高壓及長時間振動的惡劣環(huán)境中[3-5],可重復(fù)使用需求的提出使得渦輪泵設(shè)計難度大大提升,在滿足火箭發(fā)動機性能的同時,要保證各部件達到預(yù)定的工作壽命和重復(fù)啟停次數(shù)。渦輪泵中軸承是軸系支撐和保證泵高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件,直接關(guān)系到發(fā)動機的工作可靠性,也是研制可重復(fù)使用液體火箭發(fā)動機渦輪泵的最重要環(huán)節(jié)之一。目前幾乎全部液體火箭發(fā)動機渦輪泵都采用滾動軸承,這種軸承通過點或線形式的機械接觸來傳遞外部載荷,這將導(dǎo)致軸承內(nèi)出現(xiàn)嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。對于液氧/煤油發(fā)動機渦輪氧泵,軸承會在低溫、高DN值(軸承內(nèi)徑×軸承轉(zhuǎn)速)和重載的環(huán)境下工作,軸承滾珠與滾道之間的接觸應(yīng)力極高,同時由于液氧的低黏度物性,對軸承潤滑效果十分有限,軸承的磨損程度會相當明顯,并將隨著轉(zhuǎn)速的增加而顯著提高,同時磨損產(chǎn)生的熱會導(dǎo)致滾珠變黑和變形,甚至會導(dǎo)致保持架和滾珠發(fā)生斷裂[6-9]。

在渦輪泵啟動和停機過程中,軸承潤滑環(huán)境最為惡劣,Zaretsky等研究了燃氣輪機中陶瓷球軸承的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)陶瓷球軸承發(fā)熱量更低、惡劣潤滑環(huán)境中工作更穩(wěn)定[10]。Pasini等對液氧/甲烷液體火箭發(fā)動機渦輪泵中應(yīng)用的軸承進行了試驗研究,以驗證新形式和新材料的軸承在可重復(fù)使用渦輪泵中的應(yīng)用[11]。Averbach等提出了燃氣輪機中軸承的失效模式,研究表明軸承早期剝落是由潤滑問題導(dǎo)致的[12]。在軸承壽命研究方面已有很多理論模型,Warhadpande等將軸承疲勞剝落中微裂紋的產(chǎn)生、合并和擴展統(tǒng)一,預(yù)測出軸承裂紋擴展階段的一個重要影響因素為材料塑性[13]。Mitamura等研究了工作溫度對軸承接觸疲勞壽命的影響,研究發(fā)現(xiàn)軸承工作溫度升高會大幅縮減軸承壽命[14]。劉耀中等研究了工作工況、材料熱處理等因素對滾動接觸疲勞壽命的影響[15]。李鴻亮等針對燃氣輪機中高溫角接觸軸承進行了高轉(zhuǎn)速、多次啟動的優(yōu)化設(shè)計和試驗驗證[16]。

目前,國內(nèi)外對軸承壽命、軸承材料、軸承潤滑等方面已有較多研究,但針對液體火箭發(fā)動機渦輪泵中特殊工作環(huán)境下的軸承設(shè)計及試驗研究并不全面。渦輪泵可重復(fù)使用需求的出現(xiàn)對軸承的設(shè)計研制提出了更高的要求,因此本文以我國某型可重復(fù)使用液氧/煤油火箭發(fā)動機渦輪泵軸承為研究對象,對滿足低溫、高速、長壽命、多次重復(fù)啟停等要求的滾動軸承進行設(shè)計研制和試驗研究。

1 可重復(fù)使用渦輪泵軸承設(shè)計

1.1 渦輪泵軸系結(jié)構(gòu)

某型可重復(fù)使用液氧/煤油火箭發(fā)動機渦輪泵結(jié)構(gòu)如圖1所示,主泵整體為三軸四支點支撐方案,渦輪氧泵與煤油泵之間通過彈性軸連接。渦輪氧泵由渦輪、氧泵組成,采用單軸兩軸承支撐方案,渦輪端采用角接觸球軸承(軸承1),該軸承為雙半內(nèi)圈三點接觸結(jié)構(gòu),具有能承受雙向軸向負荷為主的聯(lián)合負載、高速性能好、工作過程中軸向竄動小的優(yōu)點,用于承載軸向力,氧泵入口處采用深溝球軸承(軸承2),用于承載徑向力,同時也具備一定范圍內(nèi)雙向軸向沖擊的適應(yīng)性。煤油泵同樣采用單軸兩軸承支撐方案,離心輪和誘導(dǎo)輪位于兩軸承中間,二級泵葉輪懸臂,二級泵端采用角接觸球軸承(軸承3)承載軸向力,煤油泵入口處采用深溝球軸承(軸承4)承載徑向力。

圖1 渦輪泵軸系結(jié)構(gòu)Fig.1 Shaft structure of the turbopump

針對上述渦輪泵軸承工作環(huán)境提出軸承設(shè)計要求,如表1所示。

1.2 軸承材料

針對渦輪泵中高速重載、重復(fù)啟停的工況,軸承材料應(yīng)具有高強度、高硬度及良好的耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。馬氏體不銹鋼G95Cr18經(jīng)淬回火、深冷處理后硬度不低于58HRC,同時具有良好的耐磨、耐蝕、耐疲勞性,適用于重復(fù)工作、長壽命的需求。

在渦輪泵中,軸承潤滑通常采用推進劑自身,但推進劑黏度較低,潤滑十分有限,需要依靠保持架材料的轉(zhuǎn)移和流體動壓潤滑共同完成。保持架材料是維持軸承固體自潤滑的主要來源。聚四氟乙烯材料具有摩擦因數(shù)小、耐低溫等特點,能夠滿足軸承的長期使用需求。同時,為提高保持架強度,對其采取了加強環(huán)增強的措施。

相較在煤油環(huán)境中使用的軸承,由于液氧的黏度約10-6～10-7m2/s量級,流體潤滑的效果更差。在運轉(zhuǎn)初期,軸承尚未形成穩(wěn)定的保持架轉(zhuǎn)移膜,為保證其初始潤滑,對液氧環(huán)境中軸承1和軸承2的設(shè)計采用滾道表面鍍銀基多層復(fù)合潤滑膜,以保障渦輪泵啟動初期軸承的潤滑。

1.3 保持架引導(dǎo)方式

在升、降速的過程中,軸承保持架引導(dǎo)方式和引導(dǎo)間隙直接影響其打滑率,保持架打滑率越小,實際運轉(zhuǎn)速度與理論越接近。在渦輪泵中,軸承內(nèi)圈隨主軸高速旋轉(zhuǎn),外圈固定。因此,將軸承保持架設(shè)計為外圈引導(dǎo),有助于重復(fù)啟停中保持架的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

1.4 軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

綜合考慮軸承的高速性能、承載能力,對于重復(fù)啟停升降速的適應(yīng)性,以及潤滑和冷卻情況,對軸承的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括接觸角、游隙等進行了優(yōu)化設(shè)計,最終確定軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 軸承動力學分析

以軸承中鋼球為對象,建立簡化受力模型如圖2所示,其中Q為法向接觸力,T為拖動力,f為摩擦力,ω為角速度,α為接觸角,Mg為慣性陀螺力矩,下標i、o分別代表與鋼球接觸的內(nèi)、外圈。

圖2 軸承鋼球受力模型Fig.2 Mechanical model of bearing steel balls

2.1 軸承最大接觸應(yīng)力

赫茲接觸理論是目前工程實際中使用最為廣泛的分析方法,對于軸承中的彈性接觸變形、應(yīng)力計算有著足夠的精度。該理論將軸承接觸應(yīng)力與接觸負荷、材料特性及兩個相接觸體的幾何形狀特征建立如下關(guān)系[17]。

(1)

(2)

(3)

式中:a、b分別為接觸點橢圓的長半軸、短半軸;Q為鋼球與滾道的法向負荷;na、nb為接觸點主曲率系數(shù);η為兩接觸物體的綜合彈性常數(shù);Σρ為主曲率和函數(shù)。

對軸承在30 s內(nèi)從靜止升速到設(shè)計轉(zhuǎn)速過程及從滿工況降速至靜止過程中的最大接觸應(yīng)力變化情況進行計算分析,結(jié)果如圖3所示。可以看出,在軸承啟動過程中,隨著鋼球離心力的增加,軸承外圈上的接觸應(yīng)力逐漸增大,停機過程與之相反,內(nèi)圈的最大應(yīng)力隨速度變化較小。4個軸承啟停及運轉(zhuǎn)過程中接觸應(yīng)力均小于軸承材料的一般許用應(yīng)力(3.7 GPa),表明軸承此時仍有一定的安全裕度,可以滿足高速運轉(zhuǎn)需求。

圖3 軸承最大接觸應(yīng)力Fig.3 Maximum contact stress of the bearing

2.2 軸承最大旋滾比

軸承的旋滾比是鋼球相對滾道的自旋分量與滾動分量之比的簡稱。鋼球相對滾道旋轉(zhuǎn)時,角速度適量可以分解為沿切線方向的滾動分量ωR和沿法向的自旋分量ωS,自旋分量與滾動分量的比值稱為旋滾比[17],即

(4)

(5)

(6)

式中:β為鋼球的姿態(tài)角;Dw為鋼球直徑;dm為軸承節(jié)圓直徑。

旋滾比越大,表明自旋滑動摩擦越大,則其引起的發(fā)熱也越顯著。對軸承啟停過程中的最大旋滾比變化情況進行計算分析,結(jié)果如圖4所示。

圖4 軸承最大旋滾比Fig.4 Maximum rolling ratio of the bearing

從圖4可以看出,在軸承啟動升速過程中,內(nèi)圈和鋼球之間的旋滾比逐漸增大,降速時與之相反,外圈的旋滾比隨速度變化較小。當軸承轉(zhuǎn)速達到設(shè)計轉(zhuǎn)速時,4個軸承最大旋滾比均小于高速軸承的一般判別準則值(0.4),表明軸承不會因自旋引起過量的發(fā)熱而產(chǎn)生早期失效。

2.3 軸承鋼球拖動力

在軸承高速旋轉(zhuǎn)中,由于陀螺力矩的作用,鋼球可能會發(fā)生陀螺旋轉(zhuǎn),使其與滾道發(fā)生相對滑動。若要避免這種打滑,就要確保鋼球有足夠的拖動力來對抗陀螺力矩[17],即

(7)

其中

(8)

式中;μ為滑動摩擦因數(shù);nz為鋼球自轉(zhuǎn)速度;ng為鋼球公轉(zhuǎn)速度。

在渦輪泵中,主軸帶動軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動,內(nèi)圈是軸承的主動套圈。主動套圈為鋼球提供拖動力,以保證其穩(wěn)定運轉(zhuǎn),而當拖動力不足時軸承可能發(fā)生打滑、異常發(fā)熱等現(xiàn)象。對需承受軸向載荷的兩型角接觸球軸承在不同轉(zhuǎn)速下的各個鋼球拖動力盈余量進行計算分析,結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?主動套圈的拖動力隨軸承轉(zhuǎn)速升高而減小,當軸承轉(zhuǎn)速達到設(shè)計轉(zhuǎn)速時,軸承最小拖動力盈余仍然大于0,表明軸承套圈此時仍對鋼球有穩(wěn)定的拖動,因此在運轉(zhuǎn)過程中均不會產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。

圖5 軸承鋼球拖動力Fig.5 Towing power of the bearing steel ball

2.4 軸承壽命

軸承壽命是直接反映軸承能否滿足重復(fù)長時間使用的重要指標。對于角接角軸承和深溝球軸承,當Dw≤25.4 mm時,軸承基本額定動載荷為

(9)

當Dw>25.4 mm時,有

(10)

式中:Dw不吊帶承球直徑,bm和fc為軸承工藝系數(shù);Z為軸承球數(shù)量。α為軸承接觸角。

軸承當量動載荷為

Pr=XFr+YFa

(11)

式中:X為徑向動載荷系數(shù);Y為軸向動載荷系數(shù);Fr為軸承徑向載荷;Fa為軸承軸向載荷。

由式(9)～式(11)可得軸承額定壽命為[18]

(12)

計算結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?上述4種軸承的最小壽命為1.9×106r,滿足該型渦輪泵使用需求。

表3 軸承壽命

3 渦輪泵軸承運轉(zhuǎn)試驗

3.1 軸承運轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)

為保證上述軸承在液氧和煤油中安全可靠工作,設(shè)計了軸承低溫和常溫運轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)模擬實際工作環(huán)境,對軸承性能進行考核測試。

低溫運轉(zhuǎn)試驗臺采用液氮作為試驗介質(zhì)來模擬液氧中低溫低黏度的工作環(huán)境。試驗臺由試驗器、配氣系統(tǒng)、液氮供應(yīng)和排放系統(tǒng)、渦輪驅(qū)動系統(tǒng)等組成,試驗臺裝置如圖6所示。其中試驗器由軸、殼體、軸承、軸向載荷和徑向載荷加載裝置組成,采用3個軸承做軸系支撐,結(jié)構(gòu)如圖7所示,中間為被試軸承,前端和后端為工藝軸承,冷卻采用前腔進液氮串聯(lián)方式,依次冷卻3個軸承。軸向載荷直接施加在前端工藝軸承上,通過軸傳遞給被試軸承;徑向載荷直接施加在前端工藝軸承外環(huán),根據(jù)3個軸承位置關(guān)系,通過杠桿作用間接傳遞給被試軸承。配氣系統(tǒng)主要提供空氣進行渦輪驅(qū)動及通過氣壓式活塞控制軸承軸向和徑向載荷加載。液氮供應(yīng)方式采用氮氣擠壓式,保證試驗器中液氮壓力、流量及溫度滿足試驗技術(shù)指標要求,試驗后貯箱排放的液氮及加注系統(tǒng)排放的液氮回收到液氮蒸發(fā)器內(nèi)使之轉(zhuǎn)化成氮氣排放到高空大氣中,以保證試驗場區(qū)的安全。考慮到低溫環(huán)境對電機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的影響,采用空氣驅(qū)動渦輪的方式拖動試驗器,通過調(diào)節(jié)渦輪入口空氣壓力來保證渦輪輸出轉(zhuǎn)速,可實現(xiàn)無級調(diào)速,最高轉(zhuǎn)速可達50 000 r/min,同時利用渦輪的機械特性,在試驗器中出現(xiàn)卡澀或其他異常情況時,可自動失速,保證試驗系統(tǒng)安全可靠運行。

圖6 低溫軸承運轉(zhuǎn)試驗臺Fig.6 Cryogenic experimental device for bearings

圖7 低溫軸承試驗器結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of cryogenic bearing testing device

常溫運轉(zhuǎn)試驗臺采用常溫水作為試驗介質(zhì),由于沒有低溫對試驗臺的影響,整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單,與低溫運轉(zhuǎn)試驗臺相比,試驗器拖動方式改用電機驅(qū)動,可以對試驗器轉(zhuǎn)速控制更加精準,運轉(zhuǎn)過程中對功率進行監(jiān)測,防止試驗系統(tǒng)出現(xiàn)異常,試驗臺裝置如圖8所示。常溫試驗器采用四軸承支撐方案,前端為被試軸承,軸向和徑向載荷直接加載,試驗器結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 常溫軸承運轉(zhuǎn)試驗臺Fig.8 Room-temperature experimental device for bearings

圖9 常溫軸承試驗器結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of the room-temperature bearing testing device

3.2 渦輪泵軸承運轉(zhuǎn)試驗方案及結(jié)果分析

采用上述設(shè)計的試驗系統(tǒng)對4個軸承進行運轉(zhuǎn)試驗,渦輪氧泵用軸承1和軸承2進行低溫重復(fù)起停運轉(zhuǎn)試驗,試驗前對試驗器進行充分預(yù)冷確保軸承運轉(zhuǎn)環(huán)境溫度,然后100 s內(nèi)將軸承轉(zhuǎn)速從0加速至試驗轉(zhuǎn)速,先后加載軸向和徑向載荷,軸承滿載運轉(zhuǎn)200 s后立即停機并卸去軸向和徑向載荷,隨后立即啟動重復(fù)上述試驗流程。煤油泵用軸承3和軸承4進行常溫重復(fù)啟停運轉(zhuǎn)試驗,試驗前無需預(yù)冷,試驗過程同上。試驗過程中對軸承轉(zhuǎn)速、冷卻流量、被試軸承壁溫、軸承載荷、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力、渦輪入口壓力及電機功率進行監(jiān)測采集。

圖10為4個軸承試驗過程中轉(zhuǎn)速和軸承外壁溫的變化情況,軸承1進行了12次重復(fù)啟停運轉(zhuǎn),共滿載運轉(zhuǎn)2 400 s,其余3個軸承各進行了21次重復(fù)啟停運轉(zhuǎn),均滿載運轉(zhuǎn)4 200 s。對于軸承1和軸承2低溫運轉(zhuǎn)試驗,每3次運轉(zhuǎn)后試驗臺重新補充液氮,所以會出現(xiàn)軸承外壁溫回升現(xiàn)象,啟動后溫度迅速降低,在運轉(zhuǎn)過程中軸承外壁溫全程低于-160 ℃,轉(zhuǎn)速基本平穩(wěn)無異常波動,證明軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)正常。軸承3和軸承4常溫運轉(zhuǎn)試驗全程無間斷,監(jiān)測軸承外壁溫緩慢爬升,全程低于20 ℃,證明軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)正常。

圖10 軸承試驗參數(shù)變化Fig.10 Variation of bearing parameters during the test

試驗完成后對軸承進行分解檢測分析,軸承狀態(tài)如圖11～圖14所示,試后4個軸承結(jié)構(gòu)均完好、旋轉(zhuǎn)靈活性良好、鋼球和內(nèi)外套圈基本光亮,鋼球表面略有發(fā)烏環(huán)帶和磨損。軸承在受力的情況下連續(xù)長時間的運轉(zhuǎn),鋼球?qū)L道產(chǎn)生機械作用,在內(nèi)、外圈的滾道表面會留下載荷痕跡。同時,軸承為聚四氟乙烯固體潤滑軸承,運轉(zhuǎn)過程中會在保持架、鋼球和滾道之間發(fā)生轉(zhuǎn)移潤滑,因此,在鋼球和滾道表面會存在輕微變色,分析認為試后軸承狀態(tài)屬正?，F(xiàn)象。

圖11 軸承1試后狀態(tài)Fig.11 Status of No.1 bearing after test

圖12 軸承2試后狀態(tài)Fig.12 Status of No.2 bearing after test

圖13 軸承3試后狀態(tài)Fig.13 Status of No.3 bearing after test

圖14 軸承4試后狀態(tài)Fig.14 Status of No.4 bearing after test

軸承試后檢測結(jié)果見表4,軸承2徑向游隙超出設(shè)計值,其他軸承參數(shù)均無異常。鋼球、滾道表面在微觀尺寸下并非完全光滑,在應(yīng)力的作用下,微凸體會開始發(fā)生塑性形變被磨平,而被磨下的微小碎片一方面會填平表面的凹谷部分,另一方面會壓在接觸表面,起到一定的研磨粒子的作用,使軸承表面慢慢產(chǎn)生一定的磨損,從而引起設(shè)計參數(shù)也發(fā)生一定的變化。對上述重載、潤滑環(huán)境惡劣及重復(fù)啟停運轉(zhuǎn)試驗后的軸承來說,存在一定的磨損和精度略微超差屬正?，F(xiàn)象。通過試驗過程中對數(shù)據(jù)的監(jiān)測及試后軸承外觀和尺寸檢測結(jié)果,認定試后軸承正常,可滿足渦輪泵中高轉(zhuǎn)速、重載荷及重復(fù)啟停的要求。試后同批次軸承搭載可重復(fù)使用液氧/煤油火箭發(fā)動機試車考核,已成功重復(fù)點火十余次,渦輪泵工作正常,試車后軸承轉(zhuǎn)動靈活,分解檢查狀態(tài)良好。

表4 軸承試后參數(shù)

4 結(jié)論

1)針對可重復(fù)使用液氧/煤油發(fā)動機渦輪泵用4個軸承,本文從材料、結(jié)構(gòu)、保持架等方面開展了軸承設(shè)計,對軸承工作狀態(tài)中接觸應(yīng)力、旋滾比、拖動力及軸承壽命進行了計算分析,理論驗證了所設(shè)計的軸承滿足使用需求。

2)針對上述軸承設(shè)計了相應(yīng)的低溫和常溫軸承運轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng),進行了軸承重復(fù)啟停運轉(zhuǎn)試驗研究,在低溫-140～-190 ℃環(huán)境中渦輪氧泵止推軸承進行了12次重復(fù)啟停運轉(zhuǎn),滿載運轉(zhuǎn)2 400 s,渦輪氧泵徑向軸承進行了21次重復(fù)啟停運轉(zhuǎn),滿載運轉(zhuǎn)4 200 s。常溫環(huán)境中煤油泵止推軸承和徑向軸承各進行了21次重復(fù)啟停運轉(zhuǎn),均滿載運轉(zhuǎn)4 200 s。試驗結(jié)果表明所設(shè)計的4個軸承可以適應(yīng)渦輪泵中高轉(zhuǎn)速、重載荷和多次重復(fù)啟停的工作工況,并搭載發(fā)動機考核成功。